赵忠尧主要从事核物理研究，特别是硬g射线与物质相互作用等方面的研究，主持建成中国第一、二台质子静电加速器，为在国内建立核物理实验基地作出了重要贡献。赵忠尧第一次发现了正电子的存在，他是人类物理学史上第一个发现反物质的科学家。他观测到的正、负电子湮灭辐射比后来安德逊看到的正电子径迹早两年。赵忠尧的研究成果为研制正负电子对撞机提供了理论基础，同时也奠定了他在世界物理学界的地位。