Вскоре после защиты диплома, Арцимович переехал в Ленинград и в 1930 поступил на работу в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ). В течение двух лет выполнил ряд исследований по физике рентгеновских лучей, получил любопытные результаты, из которых наиболее интересным было экспериментальное исследование отражения рентгеновских лучей от тонких слоев металлов под очень малыми углами.
В 1933 в ЛФТИ начали развиваться исследования по физике атомного ядра, и Арцимович одним из первых переключился на новое любопытное направление. Вместе с Курчатовым он впервые экспериментально показал, что поглощение медленных нейтронов в водород-содержащих веществах обусловлено реакцией захвата нейтрона протоном. Одновременно Арцимович руководит группой по разработке ускорительных трубок для получения электронов с энергией свыше 1 МэВ в исследованиях ядерного фотоэффекта. В 1936 г. Арцимович с соавторами доказал сохранение импульса при аннигиляции электрона и позитрона. В 1937 г. он защищает кандидатскую диссертацию «Поглощение медленных нейтронов».
В 1937—1938 гг. Арцимович исполняет обязанности заместителя директора ЛФТИ по научной работе. В 1939 г. он защищает докторскую диссертацию «Тормозное излучение быстрых электронов» и становится начальником лаборатории быстрых электронов ЛФТИ. Ему присваивается звание профессора. Его возможности для дальнейшего удовлетворения любопытства увеличиваются.
С началом войны ЛФТИ эвакуируется в Казань. Там, как и его коллегам Курчатову, Александрову и другим, пришлось заниматься менее любопытными, но необходимыми в военных условиях работами. Лаборатория Арцимовича переключается на разработку приборов ночного видения. Даже когда по решению Государственного комитета обороны в одном из зданий Казанского университета Курчатов и Александров оборудовали для создания атомной бомбы секретную «Лабораторию № 2», Арцимович в соседнем здании продолжал заниматься многокаскадными электронно-оптическими преобразователями.
И только после возвращения в Москву в 1944 г. по предложению Курчатова Арцимович привлекается к работам по Атомному проекту и переходит в Лабораторию № 2 (ныне РНЦ «Курчатовский институт»), где работает до последних дней своей жизни. Там он получает, пожалуй, самые любопытные результаты. Он возглавляет исследования по созданию промышленной технологии электромагнитного разделения изотопов и строит специализированный комбинат «Свердловск-45».
В 1950 г. Арцимович возглавил экспериментальные исследования по управляемому термоядерному синтезу. В 1952 г. открыл нейтронное излучение высокотемпературной плазмы. Руководил созданием термоядерных установок «Токамак». На установке «Токамак-4» в 1968 г. в лабораторных условиях были зарегистрированы первые термоядерные нейтроны.
Вот к каким результатам привело Арцимовича здоровое личное любопытство за государственный счёт. А государство ещё добавило ему лично звание Героя Социалистического Труда (1969), Ленинскую премию (1958), Государственные премии СССР (1953, 1971). Умер Лев Андреевич Арцимович 1 марта 1973 года.