Onder zijn leiding werd de eerste plutoniumkernbomRDS-1 ("eerste bliksem") getest in 1949. Om die reden staat hij bekend als de vader van de Sovjetatoombom.
Vanaf 1931 tot 1934 werkte Koertsjatov samen met Lev Mysovski en Georgi Gamov onder leiding van Vitali Chlopin aan de afdeling natuurkunde van het Radiuminstituut in Leningrad aan de eerste Russische cyclotron. In 1932 verkreeg hij fondsen voor een eigen onderzoeksteam en in 1937 voltooide hij de installatie ervan.[1][2]
Koertsjatov en zijn assistent Georgi Fljorov ontdekten al in de jaren 1930 het basisidee van de nucleaire kettingreactie en het concept van de kernreactor. In 1942 stelde Koertsjatov dat bij het splitsen van de kernen van een kilogram uranium de vrijkomende energie gelijk moest zijn aan de energie die vrijkomt bij een explosie van 20.000 ton TNT. Dit werd in de praktijk bewezen bij de atoombom op Hiroshima.
Toen de Tweede Wereldoorlog met Duitsland in 1941 uitbrak (Operatie Barbarossa), werkte Koertsjatov eerst aan het beschermen van schepen tegen zeemijnen en later aan de fabricage van voertuigbepantsering. Toen in 1943 de NKVD een Brits verslag las waarin bezorgdheid werd geuit over atoomwapens, werd er werk gemaakt van het atoomwapenprogramma en werd hij aangesteld als hoofd van het atoomprogramma van de Sovjet-Unie. Stalin verhoogde druk op het programma na info van de spion Klaus Fuchs en vooral door de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki.
Stalin wilde een bom in 1948, maar teamgenoot Lavrenti Beria wantrouwde de info die werd verkregen van spionnen en de Amerikanen en liet zelf alles controleren. Ook andere bekende wetenschappers zoals Joeri Chariton en Jakov Zeljdovitsj werkten in het team dat werkte in het stadje Sarov in de huidige oblast Nizjni Novgorod aan de Wolga.
Na de oorlog werkte hij verder aan de waterstofbom. Nog later werd hij een voorstander van het gebruik van atoomenergie voor enkel vredelievende doelen. Hij keerde zich daarop ook tegen verdere kernproeven.
Koertsjatov had gewed zich niet te scheren zolang er geen resultaat was in het atoomprogramma, maar behield zijn baard ook daarna gedurende de rest van zijn leven, hetgeen hem de bijnaam "De baard" opleverde.
Het element Rutherfordium dat eerder door een Russisch team werd geclaimd te zijn ontdekt werd door hen Kurchatovium genoemd.
