Il laboratorio è stato creato nel 1967 con il nome National Accelerator Laboratory, nel 1974 è stato rinominato in onore di Enrico Fermi. Per anni il Fermilab ha ospitato il Tevatron, un acceleratoreprotone-antiprotone rimasto attivo fino al 2011. Il Tevatron, che aveva una circonferenza di 6,3 km, è stato fino al 2010 l'acceleratore in grado di produrre collisioni all'energia nel centro di massa più elevata nel mondo (E=1,96 TeV). Le collisioni venivano rivelate ed analizzate da due esperimenti: CDF e DØ.
Tra le scoperte fondamentali nate da esperimenti avvenuti al Fermilab si possono citare la scoperta del quark bottom (o beauty) nel 1977 e la scoperta del quark top, annunciata nel 1995 dagli esperimenti CDF e DØ. Il limite di energia è stato superato dall'LHC al CERN di Ginevra, un colliderprotone-protone, dove nel 2010 sono stati raggiunti i 7 TeV nel centro di massa.[1]
Al Fermilab vengono effettuati esperimenti a bersaglio fisso ed esperimenti per lo studio dei neutrini,[2] fra cui MicroBooNE[3] (Micro Booster Neutrino Experiment) e NOνA[4] (NuMI Off-Axis νe Appearance). Fra gli esperimenti sui neutrini già conclusi ci sono MINOS[5] (Main Injector Neutrino Oscillation Search), MiniBooNE[6] e SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment).[7] Fermilab ospita anche LBNF (Long-Baseline Neutrino Facility), parte del futuro esperimento DUNE[8] (Deep Underground Neutrino Experiment), i cui rivelatori dei neutrini prodotti al Fermilab sono situati a 1.300 km di distanza, alla Sanford Underground Research Facility, una ex miniera d'oro a Lead, Dakota del Sud.[9]
Oltre a condurre studi sulle particelle elementari, Fermilab ospita centri di ricerca avanzata anche in altri campi, quali il SQMS[10] (Superconducting Quantum Materials and Systems), diretto da Anna Grassellino.