Tevatronacceleratorn vid Fermilab var länge världens kraftfullastepartikelaccelerator, fram tillLarge Hadron Colliders uppstart 2008. Tevatronen användes för att accelerera antiprotoner till energier omkring 500GeV, och producerade proton-proton-kollisioner med energier upp till 1,6 TeV, och var därmed den första partikelacceleratorn i världen att nå teraelektronvoltsområdet i energi. Den var 6,3 kilometer i omkrets och därmed världens fjärde längsta partikelacceleratorring. En av dess viktigaste upptäckter var upptäckten avtoppkvarken 1995, av forskarlagen vid Tevatronens CDF- och DØ-detektorer. Tevatronen stängdes 2011.
Förutom acceleratorbaserad högenergifysik har Fermilab även experiment med fasta mål och neutrinoexperiment, som MicroBooNE (Micro Booster Neutrino Experiment), NOνA (NuMI Off-Axis νe Appearance) och SeaQuest. Tidigare experiment är bland andraMINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), MINOS+, MiniBooNE and SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment). MiniBooNE-detektorn var en sfär omkring 12 m i diameter, innehållande 800 ton mineralolja och 1 520 fotorördetektorer. Omkring en miljon neutrinoobservationer registrerades varje år. SciBooNE var placerad i samma strålgång som MiniBooNE men hade mer detaljerade trackingmöjligheter. NOνA-experimentet och det tidigare MINOS-experimentet använde sig av Fermilabs NuMI-stråle (Neutrinos at the Main Injector), en neutrinostråle som skickas 732 km genomjorden till Soudan-gruvan iMinnesota ochAsh River, Minnesota, plats för NOνA-detektorn.
Fermilabs verksamhet för allmänheten omfattar bland annat ett naturreservat för att återskapa präriens ursprungliga ekosystem. Laboratoriet är också värd för många kulturarrangemang som offentliga föreläsningar och symposier inom populärvetenskap, konserter, dansarrangemang och konstutställningar. Området är tillgängligt dagtid för besökare mot uppvisande av giltig fotolegitimation.