Laureatosi in Fisica nel 1957, Ugo Amaldi entrò come ricercatore nel Laboratorio di Fisica dell'Istituto Superiore di Sanità (ISS) di Roma. Qui si è dedicato per circa quindici anni sia alla ricerca in fisica nucleare, divenendo poi Dirigente di Ricerca, che allo studio e applicazioni mediche delle radiazioni ionizzanti. In particolare, occupandosi della protezione delle popolazioni dalle radiazioni ionizzanti, per dieci anni ha rappresentato il Ministro della Sanità nella Commissione tecnica che, presso il Comitato Nazionale per l'Energia Nucleare, dava le licenze di esercizio degli impianti e reattori nucleari. E' nel Laboratorio di Fisica dell'ISS che, sotto la guida di Mario Ageno, Amaldi ha preso il gusto di coniugare
la ricerca fondamentale con le applicazioni pratiche delle radiazioni.

L'attività di ricerca è documentata in trecento di pubblicazioni scientifiche nel campo della fisica dei nuclei, degli atomi e delle particelle fondamentali. In quasi quarant'anni di attività scientifica per le sue ricerche ha utilizzato i fasci di ben sei acceleratori di particelle di energia sempre crescente.
A Frascati il sincrotone per elettroni e l'anello di accumulazione Adone. Al Centro Europeo per le Ricerche Nucleari (CERN) di Ginevra, il protosincrotrone PS, il superprotosincrotrone SPS, gli anelli ISR, e infine il LEP, il collisore circolare elettrone-positone che ha un diametro di 27 chilometri.

Negli anni 60 e 70 i contributi scientifici più importanti sono stati lo studio degli stati di particella singola nei nuclei effettuato con l'elettrosincrotrone di Frascati (per cui ha vinto nel 1965 il premio "Francesco Maria Grimaldi" della Società Italiana di Fisica), l'apertura nel 1968 di una nuova ed originale linea di ricerca in fisica atomica (“electron momentum spectroscopy”) e la scoperta, nel 1973, del fenomeno delle sezioni d'urto adroniche che crescono con l'energia, scoperta effettuata agli ISR in collaborazione con un gruppo del CERN. Direttore della Sezione Sanità dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare dal 1968 al 1973, in quell'anno, a seguito della scoperta fatta agli ISR, gli fu offerto un contratto dal CERN di Ginevra come Senior Physicist. Trasferitosi a Ginevra, per quasi venti anni lasciò la fisica delle radiazioni per occuparsi di ricerca nel campo delle forze fondamentali, e in particolare del problema della loro unificazione. Questa nuova linea di ricerca iniziò nel 1975 presso il PS del CERN, dove Amaldi ha lavorato sperimentalmente alla fisica dei neutrini con l'esperimento detto CHARM, dando contributi originali alla conoscenza delle interazioni deboli dette "cariche".

Spinto da questo interesse scientifico, nel 1980 con un gruppo di colleghi presentò una proposta di esperimento da effettuarsi al acceleratore del CERN che doveva entrare in funzione nel 1989: il LEP. La proposta fu approvata e Amaldi ne è stato il responsabile (spokesman) per quattordici anni (1980-1993), fino a che dette le dimissioni per occuparsi di adroterapia. Il rivelatore, installato nel 1989, portava il nome di DELPHI (Detector with Lepton, Photon and Hadron Identification) pesava circa 3000 tonnellate ed era costituito da 14 rivelatori concentrici con un diametro esterno di circa 12 metri. La Collaborazione era formata da circa cinquecento fisici che provenivano da 45 laboratori e centri di ricerca di 21 diverse Nazioni, tra le quali la maggior parte dei paesi dell'Europa occidentale, la Russia, la Polonia, la Repubblica Ceka, gli Stati Uniti e il Brasile. Al LEP, nelle collisioni elettrone-positone, negli anni 1989-2000 si riproducevano le condizioni che esistevano all'inizio della storia del nostro Universo; più precisamente le densità di energia e le reazioni che avvengono sono quelle che si avevano meno
di un miliardesimo di secondo dopo il Bing Bang originale. Con i dati raccolti in queste condizioni estreme, DELPHI ha prodotto negli otto anni di funzionamento risultati importanti, quali la prima misura dell'accoppiamento di tre gluoni e la scoperta di alcune nuove particelle che contengono il quark "bello".

Nel 1991 Ugo Amaldi pubblicò, con W. De Boer e H. Furstenau, un lavoro scientifico che utilizzava i recentissimi dati sperimentali ottenuti al LEP per comprendere l'unificazione delle forze fondamentali mediata dalla supermateria. Tale lavoro, che suscitò l'interesse della stampa quotidiana italiana ed estera, è, tra i lavori scientifici pubblicati dal CERN, il più citato del quinquennio 1992 - 1996.

Ugo Amaldi si è, sin dai tempi di Frascati, interessato alle tecnologie e alla teoria degli acceleratori di particelle. Postosi il problema dei futuri sviluppi degli acceleratori, propose nel 1975 la costruzione di
un nuovo tipo di macchina acceleratrice di alta energia: il Collisore Lineare Elettrone-Positone. A seguito di questo fu nominato membro dell'European Committe for Future Accelerators (ECFA) e dell'International Committee for Future Accelerators (ICFA), per i quali organizzò nel 1978 e nel 1979 due simposi (uno in Germania e uno in Svizzera), che definirono i piani di sviluppo a livello europeo del laboratorio DESY di Amburgo e i programmi internazionali di ricerca sugli acceleratori per il 2000.

Ha insegnato fino al 1973 “Fisica delle Radiazioni” alla Scuola di Specializzazione in Radiologia dell'Università di Roma e dal 1982 al 1996 all’Università di Milano. In questo campo ha pubblicato due libri:"Fisica delle Radiazioni" (Boringhieri, 1971) e "Molecole e radiazioni" (Editrice Universitaria, 1974). Sul primo trattato si sono formati gli esperti di fisica delle radiazioni che oggi esercitano la professione in quasi tutti gli ospedali italiani. Nel 1992 ha vinto una cattedra di Fisica presso l'Università di Firenze; nel 1995 è stato nominato Professore ordinario di Fisica sanitaria dell'Università di Milano.

Con Giampiero Tosi, dell' Istituto Europeo di Oncologia di Milano, facendo uso delle conoscenze acquisite nel campo delle radiazioni e degli acceleratori di particelle, Amaldi ha lanciato nel 1991 il "Progetto Adroterapia", che si ripromette di portare in Italia le moderne tecniche di radioterapia che fanno uso di fasci di quelleparticelle fatte di quark che sono dette "adroni". Si tratta, in particolare, di protoni e di ioni carbonio. Nel 1992 fu creata la Fondazione TERA, di cui Amaldi è presidente e Roberto Orecchia, professore di radioterapia all’Università di Milano ,vicepresidente. La Fondazione impiega più di venti persone che si dedicano a pieno tempo, collaborando con circa duecento scienziati di tutta Italia, a tre progetti: la rete informatica RITA, il Progetto Acceleratore Compatti PACO e il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica CNAO, che sono descritti nei volumi curati da Amaldi con vari collaboratori e pubblicati nel corso degli anni; essi sono detti per brevità il Libro Blu (1994) e il Libro Rosso (1997) - entrambi dedicati al CNAO - e il Libro Verde (1996), che tratta di RITA e PACO.

Il progetto CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) rappresenta l’attività di punta della Fondazione TERA e ha sin dal 1992 l’obiettivo di costruire in Italia un centro di eccellenza per la cura
dei tumori con protoni e ioni carbonio. Dall’inizio del 1996, e fino a oltre la metà del 1999, la Fondazio-ne ha promosso, parallelamente al lavoro tecnico di studio e disegno di edifici e impianti, una collaborazione di istituti oncologici e università italiane ed europee per la realizzazione del CNAO. Nel 2000 il Ministero della Sanità ha creato a Milano la Fondazione CNAO, finanziandola con 40 miliardi.

Interessato da sempre ai problemi dell'insegnamento e della divulgazione scientifica, a partire dal 1974 per circa vent'anni Ugo Amaldi ha scritto di fisica e scienza sul Corriere della Sera. Ha pubblicato nel 1984 con Edoardo Amaldi un testo di fisica per i licei italiani utilizzato in tre volumi ogni anno da più di cinquantamila studenti (Zanichelli, 1984-85). Successivamente ha pubblicato, sempre con lo stesso editore, molti altri testi di fisica per i bienni e i trienni: "Dal pendolo ai quark", "Immagini della fisica", "Temi e immagini della fisica", "Le scienze dell'energia e della materia" etc. Circa centocinquantamila studenti studiano ogni anno la fisica sui suoi libri. Nel 1997 è uscito il primo CR Rom italiano interattivo dedicato agli studenti di fisica. Ne hanno parlato quotidiani e televisione.

Ugo Amaldi è membro dell' Accademia Nazionale delle Scienze (Accademia dei Quaranta) e dell'Accademia delle Scienze di Torino. Egli è Presidente della Fondazione TERA e Docente di Fisica Medica all’Università di Milano Bicocca. È membro dei Comitati scientifici del Paul Scherrer Institut (Svizzera), del Commissariat à l'Energie Atomique (Saclay, Francia) e dell'Istituto Europeo di Oncologia (Milano). Ha ricevuto nel 1995 lo International Prize Bruno Pontecorvo per i suoi contributi allo studio delle interazioni deboli e dell'unificazione delle forze. E' stato nominato Doctor honoris causa dell'Università di Uppsala (1993), dell'Università di Lione (1997), dell’Università di Helsinki e dell’Università di Valencia (2000).