Но не только за это Кикоин стал академиком и дважды Героем социалистического труда. Заниматься наукой он начинает в знаменитом Ленинградском физико-техническом институте ещё будучи студентом 2 курса Ленинградского политехнического института, который оканчивает в 1930 году. Под руководством
В 1935 году Кикоин защищает докторскую диссертацию. В 1936 году переезжает в Свердловск, где был создан Уральский физико-технический институт. Одновременно с 1937 года преподаёт в Уральском политехническом институте, будучи там профессором и заведующим кафедрой общей физики. С началом войны Кикоин и его лаборатория, как и вся страна, переключаются на решение необходимых фронту прикладных задач.
Кикоин был среди первых ученых, начавших с И.В. Курчатовым работы по созданию атомной бомбы. В 1943 году секретная лаборатория № 2, позднее превратившаяся в Курчатовский институт, переезжает из Казани в Москву. Одновременно туда переезжает из Свердловска Кикоин и становится заместителем Курчатова. Заместителем директора Курчатовского института Кикоин был последующие 40 лет — до конца жизни.
Под руководством Кикоина в конце 40-х годов была разработана промышленная газодиффузионная технология разделения изотопов урана, и был построен завод по обогащению урановых руд. Это позволило вовремя создать атомную бомбу. В последующие годы Кикоин продолжал работы над новыми технологиями обогащения урана. В начале 1960-х годов заработал предложенный Кикоином и его сотрудниками центробежный метод разделения изотопов урана, требующий в десятки раз меньше электроэнергии. На Западе этот метод был освоен только 10 лет спустя.
В 60-е годы Кикоин частично возвращается к решению фундаментальных проблем физики твёрдого тела. В 1964 году он обнаруживает фотопьезоэлектрический эффект, продолжает исследования гальваномагнитных явлений в ферромагнетиках. В 1966 году открывает низкотемпературные квантовые осцилляции фотомагнитного эффекта. Обнаруживает и изучает аномально большой эффект Холла в сплаве хром-теллур. Исследуя воздействие ионизации на свойства полупроводников открыл новые явления — радиационные электромагнитный и пьезоэлектрический эффекты.
Умер Исаак Константинович Кикоин 28 декабря 1984 года.