Szesnastoletni Bruno zaczął studia na wydziale inżynierii na Uniwersytecie w Pizie, ale po dwóch latach zmienił kierunek studiów i w wieku osiemnastu lat zapisał się na trzeci rok fizyki na Uniwersytecie Rzymskim La Sapienza. Studiował pod kierunkiem Enrica Fermiego, będąc najmłodszym z jego „Chłopców z Via Panisperna” – stąd przezwisko Cucciolo (wł. szczeniak). W 1934 roku wziął udział w słynnym eksperymencie Fermiego, który doprowadził do odkrycia rozszczepienia jądra atomowego za pomocą powolnych neutronów.
Wiosną 1936 przeniósł się do Paryża, gdzie w laboratorium Irène i Frédérica Joliot-Curie badał zderzenia neutronów z protonami i przejścia elektromagnetyczne między izomerami.
W Paryżu poznał szwedzką studentkę Helenę Mariannę Nordblom, swoją przyszłą żonę. W 1938 urodził się ich pierwszy syn Gil, pobrali się w 1940.
Pod wpływem kuzyna Emilio Sereniego wstąpił do Francuskiej Partii Komunistycznej. Sympatie komunistyczne przejawiały również jego siostry Giuliana i Laura oraz brat Gillo.
Ustawy rasowe reżimu faszystowskiego Mussoliniego z 1938 skierowane przeciwko Żydom zmusiły rodzinę Pontecorvo do opuszczenia Włoch i zamieszkania w innych krajach, m.in.