Когда в начале 1930-х годов началось активное развитие научных исследований в ядерной физике, Б. В. Курчатов, не оставляя своих прежних работ, подключился к исследованиям по изучению ядерных реакций под действием нейтронов, ведущихся в физическом отделе брата. Он заинтересовался химией ядерных превращений радиоактивных элементов и начал разрабатывать методы их выделения. В 1933 году Игорь Васильевич привлек его к изучению процесса «обстрела» алюминия и фосфора нейтронами. Для изучения процесса (эффект Ферми, разветвленные реакции) Борис Васильевич использовал радиохимический метод выделения короткоживущих магния и натрия из облученного алюминия. Результаты авторы опубликовали в статьях в сборнике «Доклады Академии наук» (ДАН) в 1934 году. Работы вскоре увенчались открытием. Л. А. Арцимович, будущий академик (тогда профессор, заведующий лабораторией), писал в журнале «Природа» в 1934 году: «Б. В. Курчатову и И. В. Курчатову удалось чисто химическим путем выделить радиоактивный натрий… Метод химического выделения радиоактивных продуктов имеет громадное значение для изучения ядерных реакций, так как он позволяет прямо обнаружить химическую природу получающегося при реакции неустойчивого элемента. Этот метод позволяет обнаружить и выделить радиоактивные осадки при целом ряде ядерных превращений».

Выдающейся работой братьев того периода, которую они провели вместе с Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым, стало открытие в 1935 году ядерной изомерии Br⁸⁰. Использованный в ней, как и в других экспериментах, радиохимический метод Бориса Васильевича привел к разгадке нового явления в физике атомного ядра. Применив химические методы определения активного изотопа, Б. В. Курчатов впервые в стране провел сложные радиохимические исследования, в которых при захвате нейтронов стабильными изотопами брома было обнаружено два радиоактивных ядра — ⁸⁰Br и ⁸²Br. Ранее у брома были установлены два периода β-распада — 18 минут и 4,4 часа. В 1935 году было открыто β-излучение радиоактивного брома с периодом полураспада в 36 часов. В результате исследователи открыли явление ядерной изомерии брома. В ученом мире это открытие было признано одним из наиболее крупных достижений советской ядерной физики в довоенный период. Широкое развитие работ по радиохимии планировалось на конец 1930-х годов. Однако война поломала все планы.

От военной службы Борис Васильевич по состоянию здоровья был освобожден. Сырой ленинградский климат неблагоприятно повлиял на легкие — дважды пришлось лечиться в специальном санатории. В начале августа 1941 года он эвакуировался вместе с институтом в Казань, уезжал в состоянии «апатии и бессилия». В переполненном приезжими городе жить и работать приходилось в тяжелых условиях, часто голодая. «Борис такой хороший, но удивительно не приспособленный к жизни человек», — писала Курчатову в Севастополь Марина Дмитриевна в 1941 году. Зима наступила рано — студеная, морозная. Дров едва хватало, чтобы обогреть застывшие от холода помещения — и те, где жили, и те, где трудились. Работали по 16–18 часов в сутки, часто спали в лабораториях. Не хватало оборудования, электричества, воды. Домой Борис Васильевич возвращался глубокой ночью.

Осенью 1941-го и весной 1942-го братья получили печальные известия о смерти родителей. Борис Васильевич до конца своих дней скорбел и сокрушался, винил себя за то, что у него «не хватило настойчивости и решимости остаться с отцом и матерью в Ленинграде». Тогда же он помогал Марине Дмитриевне выхаживать Игоря Васильевича, боровшегося с тяжелой болезнью. Он и сам часто болел. Жил вначале в здании Казанского университета на улице Чернышевского, где для сотрудников ЛФТИ отвели несколько комнат под лаборатории, мастерские и склады. Тридцать пять ученых вместе с семьями разместили в одной комнате площадью 60 квадратных метров. Но трудности организации на новом месте, по выражению Бориса Васильевича, «не слишком тормозили научную работу». Вскоре он получил отдельную комнату «недалеко от трамвая и базара» по улице Чехова в доме 43/2. Комната была холодная и сырая, и у Бориса Васильевича снова появилась реальная опасность заболеть туберкулезом или ревматизмом. В октябре — декабре он перенес грипп и дважды бронхит, перебравшись на время болезни к Марине Дмитриевне.

Миновала страшная зима. Позади остались скорби и болезни. Вся жизнь Курчатова-младшего, как и всех физтеховцев, сконцентрировалась на работе для фронта, для победы. То, что делалось в мирное время за несколько лет, теперь решалось в несколько месяцев. Вспоминая работу в Казани (об этом периоде известно мало), Б. В. Курчатов говорил: «Занимался оборонной тематикой, проблемой „темновидения“ — созданием веществ для приборов ночного видения». В 1942 году ему и его товарищам удалось создать состав, чрезвычайно чувствительный к инфракрасному излучению. Состав фиксировал источник инфракрасных лучей мощностью порядка 1 ватта на расстоянии 300 метров. На его основе был предложен целый ряд оптических приборов, которые обеспечивали ориентацию наших бойцов в условиях ночных танковых атак, делали возможным распознавание вражеских объектов. А. Ф. Иоффе называл эти исследования «темновидением». Известно, что эта работа выдвигалась на соискание Сталинской премии, но Борис Васильевич получил только премию Академии наук — три тысячи рублей. Исключительно напряженная работа Б. В. Курчатова по выполнению оборонных заданий в 1941–1943 годах оказалась успешной и необходимой фронту. Он не раз премировался в ряду особо отличившихся ученых Казанской группы ЛФТИ.

В мае 1943 года И. В. Курчатов отозвал брата в Москву, где в недавно созданной Лаборатории № 2 начали разворачиваться работы по урановому проекту. Объявив, что задачей лаборатории является развитие работ по цепной реакции урана, Игорь Васильевич сначала поручил брату изучить всю литературу по элементу 93 (нептунию), а потом доверил решение одной из ключевых задач — постановку в лабораторных условиях экспериментов по получению элементов 93 и 94 и изучению их физико-химических свойств. Это было архиважно для решения последующего наиважнейшего этапа атомного проекта — создания в стране промышленного способа извлечения из урановых руд плутония.

Первые опыты Б. В. Курчатов начал ставить в Пыжевском переулке, в здании Сейсмологического института. Проводя эксперименты с громадными трудностями, практически без лабораторного оборудования, в совершенно не приспособленном для экспериментальных работ (тем более химических) помещении, уже в 1944 году он развернул исследования по физическим и радиохимическим проблемам образования и выделения плутония из облученного урана. Работали и днем и ночью, и вскоре пришла удача. Ожидалось, что изотоп элемента 94 с атомным весом 239 так же, как и уран-235, способен делиться под действием и быстрых, и тепловых нейтронов. По аналогии с ураном-235 предполагалось, что плутоний-239 должен быть ядерным горючим, пригодным для осуществления как взрывного цепного процесса, так и управляемой ядерной реакции. Но в то время о свойствах плутония почти ничего не было известно. Их нужно было изучить.

Опыты Б. В. Курчатов начал с получения «индикаторных» количеств нептуния и изучения его химических свойств. Нептуний был выделен из слабо облученных соединений урана. Борис Васильевич подтвердил сходство этого элемента (низшей валентности) с цериевой группой редких земель. Для выделения плутония он значительно увеличил дозу нейтронного облучения. Располагая лишь радий-бериллиевым источником, он около трех месяцев непрерывно облучал колбу с гидратом окиси-закиси урана, поместив ее и источник в бочку с водой. После химической переработки материала в октябре 1944 года был выделен препарат, который оказался альфа-активным. Измерения показали, что он содержит десять атомов плутония. Это были первые «атомные» количества плутония, полученные в СССР, — важнейшее достижение отечественной радиохимии.

К этому времени в литературе был известен только элемент 93. Его достоверно идентифицировали Мак-Миллан и Абельсон в 1940 году. Из него должен был получаться элемент 94, предположительно α-излучатель с очень большим периодом полураспада — больше миллиона лет. Обнаружить его американским ученым тогда не удалось, несмотря на использование мишени элемента 93 с большой исходной активностью. К этой загадке Борис Васильевич возвращался не раз.