Через год Лоуренс вместе со своим учителем Сванном перешел в Чикагский университет. Там его интерес к физике еще более возрос после встреч с Нильсом Бором, Артуром Комптоном, Альбертом А. Майкельсоном, X. А. Вильсоном и другими выдающимися физиками. Через год после перехода осенью 1924 года в Йельский университет Лоуренс получил докторскую степень. Его диссертация о фотоэлектрическом эффекте в парах калия стала первой из его значительных работ в этой области физики.
В Калифорнии Лоуренс продолжил начатые исследования в таких областях, как фотоэлектричество и измерение очень коротких промежутков времени.
Затем Лоуренс обратился к ядерной физике, которая тогда быстро развивалась. В 1919 году Эрнест Резерфорд расщепил атомное ядро, бомбардируя его альфа-частицами, испускаемыми радием.
Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили линейные ускорители частиц, работавшие при очень высоких напряжениях. В этих устройствах положительно заряженные частицы разгонялись по прямой в направлении притягивавшего их отрицательного электрода и приобретали энергию, пропорциональную приложенному напряжению.
Линейные ускорители не нравились Лоуренсу, так как в них время от времени происходил пробой изоляции и возникал высоковольтный разряд, напоминающий по виду молнию. В 1929 году Лоуренсу попалась на глаза статья на немецком языке инженера норвежского происхождения Рольфа Видерее, прочитав которую Лоуренс понял, что частицы можно ускорять, повышая напряжение постепенно, что прямолинейный путь можно изогнуть в окружность. Проделав необходимые расчеты, он вместе с несколькими сотрудниками приступил к проектированию и постройке первого циклотрона. Именно с его созданием обычно связывают имя Лоуренса.
Основная идея Лоуренса состояла в том, что заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружностям. Так происходит потому, что движущийся заряд представляет собой электрический ток, который, как и ток в обмотках электромагнита, создает магнитное поле. Подобно двум магнитам, поднесенным вплотную друг к другу, частица и внешний магнит действуют друг на друга с определенной силой, но двигаться может только частица (в случае двух сближаемых магнитов это соответствует тому, что один магнит жестко закреплен, а другой может двигаться). Направление силы всегда образует прямые углы с направлением магнитного поля и с направлением движения частицы. Поскольку направление частицы постоянно изменяется, частица движется по окружности. Важная особенность движения частицы состоит в том, что она всегда описывает полную окружность за одно и то же время независимо от скорости (кинетической энергии) частицы. Но диаметр окружности тем больше, чем больше скорость частицы. Именно эти особенности движения частиц и использовал Лоуренс, проектируя свой циклотрон.