Rutherford se mudó en 1907 a la Universidad Victoria de Manchester (hoy Universidad de Manchester ) en el Reino Unido, donde él y Thomas Royds demostraron que la radiación alfa son núcleos de helio .
Rutherford realizó su trabajo más famoso después de convertirse en premio Nobel. En 1911, aunque no pudo probar que fuera positivo o negativo, teorizó que los átomos tienen su carga concentrada en un núcleo muy pequeño , y por lo tanto fue pionero en el modelo de Rutherford del átomo , a través de su descubrimiento e interpretación de La dispersión de Rutherford por el experimento de la lámina de oro de Hans Geiger y Ernest Marsden . Realizó la primera reacción nuclear inducida artificialmente en 1917 en experimentos en los que los núcleos de nitrógeno fueron bombardeados con partículas alfa. Como resultado, descubrió la emisión de una partícula subatómica a la que, en 1919, llamó “átomo de hidrógeno” pero, en 1920, nombró con más precisión al protón .
Rutherford se convirtió en Director del Laboratorio Cavendish en la Universidad de Cambridge en 1919. Bajo su liderazgo, el neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932 y en el mismo año el primer experimento para dividir el núcleo de una manera totalmente controlada fue realizado por estudiantes que trabajaban en su dirección, John Cockcroft y Ernest Walton . Después de su muerte en 1937, fue enterrado en la Abadía de Westminster cerca de Sir Isaac Newton .
Como curiosidad comentar que el elemento químico rutherfordio (elemento 104) recibió su nombre en 1997.