1935年詹姆斯·弗兰克在哥本哈根逗留一年之后，到达美国，在巴尔的摩霍普金斯大学担任教授。

1938年，他被任命为芝加哥大学物理化学教授。在那里，萨缪尔·菲罗斯（SamueI Fels）基金曾经建立一个光合作用的实验室，詹姆斯·弗兰克担任这个实验室的指导，一直到1949年退休为止。

在哥廷根和巴尔的摩时，詹姆斯·弗兰克和他的同事曾经把双原子分子中的电离与光合作用机制推广到液掺和固体中去，最后推广应用到植物的光合作用过程。这一工作固然包括了生物化学的全部复杂性，然而詹姆斯·弗兰克还是集中大部分时间专心致志地从事光合作用问题的研究。

詹姆斯·弗兰克与赫兹（Gustav Ludwig Hertz，1887-1975年）于1925年共同获得诺贝尔物理学奖，就是因为他们发现支配电子与原子相互碰撞的定律。1926年詹姆斯·弗兰克在斯德哥尔摩的诺贝尔奖金授奖演讲中简短地描绘了电子碰撞的问题。

除了获得诺贝尔奖外，詹姆斯·弗兰克还获得许多荣誉，并被许多学会，包括伦敦皇家学会吸收为会员。第二次世界大战后，德国也授予他许多荣誉，他获得了德国物理学会的普朗克奖章，并成为哥廷根的荣誉会长。

出版著作

詹姆斯·弗兰克从事科学活动超过60年以上，其间从二十世纪初原子物理和量子论的奠基开始，到这些学科的研究达到精益求精的程度为止。詹姆斯·弗兰克基本上是一个物理学家，但是他所从事的关于太阳能量转变成维持地球上生命的基本过程的研究，对于化学与生物学分支具有深远的影响。

在这时期，詹姆斯·弗兰克发表了大量多样的文章，其中心主题可以描述为在碰撞中的原子与分子的组成和分离以及它们的振动与转动。在两篇论文中，并应用于在分子光谱中从电子运动到振动运动的能量转换。

詹姆斯·弗兰克用振动能级的外推法引到决定分子的分离能量的方法，并使这个方法在康登（Condon）的波动力学公式之后变成为著名的“弗兰克-康登原理”。

1926年他的著作是与乔丹（P·Jordan）合写的书，这本书包含那个时期他的大部分工作的基本概念。

詹姆斯·弗兰克教授对物理学的最大贡献还是他早期在柏林大学任职时所作出的巨大发现。

在这一时期，他深入沃伯格的实验室，着手电晕放电的研究，不久放弃这一专题，而转到更基础的离子运动性的研究。他发现电子与惰性气体原子的碰撞主要是弹性碰撞，并不损失动能。当时他的年青同事古斯塔夫·路德维希·赫兹（Gustav Hertz）参加他这一非常精确的弹性碰撞的研究。这项工作导致了非弹性碰撞中电子与原子间能量量子化转移的发现。

在他们的著名实验中，詹姆斯·弗兰克与赫兹测定了使电子从原子中电离出来应需要多大能量的问题。他们让具有一定能量的电子与水银蒸气分子发生碰撞，借以计算碰撞前后电子能量的变化。实验的结果明确地表明：电子在与水银原子碰撞时，电子严格地损失4.9电子伏特的能量，也就是说，水银原子只能接收4.9电子伏特的能量，这个事实无可非议地说明了水银原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”。所以说，弗兰克-赫兹实验是能量转变量子化特性的第一个证明，是玻尔所假设的量子化能级的第一个决定性的证据。

罗伯特·波尔（R·Pohl）担任特约教授并兼任第一物理研究所所长。波恩将两个研究所设在同一座楼内，玻恩所作的这种安排，主要是使三位教授分别在三个系里各得其所又便于接触联系，使研究工作令人满意地进行。他们经常合办讨论会，轮流担任主席。在阿根廷的十二年间，詹姆斯·弗兰克与玻恩结成了亲密的伙伴，又有共同的科研兴趣，形成了这个区域活跃的科学团体的核心。