Pomeranchuk współpracował z Landauem nad rozpraszaniem światła. W 1943 roku dołączył do radzieckiego programu jądrowego pod kierownictwem Kurchatowa. Pomeranchuk kierował pracami teoretycznymi w ITEP i rozwijał badania nad neutronami stosowanymi w reaktorach. Przewidział, że entropia helu-3 jest niższa w stanie ciekłym niż w stanie stałym. Pomeranchuk przez krótki czas pracował nad bronią termojądrową w Arzamas-16. Zjawiska nazwane jego imieniem to pomeron, niestabilność Pomeranchuka i efekt chłodzenia. W latach 1950 i 1952 otrzymał dwie Nagrody Stalina. Pomeranchuk wraz z Gribovem był pionierem teorii Regge'a. Zainicjował badania nad terapią wiązką protonową, zanim zmarł na raka w 1966 roku.