Работы относятся к атомной, молекулярной и ядерной физике.
В 1932, опираясь на опыты И. и
Ф. Жолио-Кюри, предположил существование новой нейтральной частицы – нейтрона и высказ0ал идею протонно-нейтронной модели ядра.
Разработал (1933) теорию обменных сил (силы Майораны) и в том же году показал (1933), что ядерные силы насыщающие.


Открыл бесконечномерные представления группы Лоренца и нашел ковариантные уравнения для частиц с произвольным спином (1932).
Рассмотрел вещественное представление спиноров (спиноры Майораны).
В 1937 сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование т.н. фермионов Майорана – частиц, одновременно являющихся собственными античастицами (
впервые были обнаружены только в 2012 г.)
Исчез при невыясненных обстоятельствах.