Lorsqu’il est ensuite nommé professeur au Collège de France cette même année 1937, Frédéric Joliot veut disposer d’un cyclotron, machine révolutionnaire et compacte faisant tourner les particules en spirale et permettant ainsi d’atteindre facilement de bien plus hautes énergies que les générateurs de haute tension et autres machines électrostatiques. Il fait appel pour cela à Ernest O. Lawrence, l’inventeur des premiers cyclotrons à Berkeley au début des années 30, qui lui envoie des plans.
Le premier cyclotron Français est ainsi construit à Zurich et installé dans le sous-sol d’un nouveau bâtiment du Collège de France en 1939. Cette même année, Lawrence reçoit son prix Nobel de Physique. Le cyclotron de Joliot produira ses premiers protons de 7 MeV pendant la guerre et fonctionnera au Collège de France jusqu’en 1958, puis à Orsay jusqu’en 1966. Il est aujourd’hui exposé au musée des Arts et Métiers à Paris.