Après de premières expériences sur la photoluminescence et la photochimie, il commence en 1934 ses travaux en physique nucléaire auprès de Dmitri Skobeltsyne. Parmi ses contributions les plus significatives, on peut citer ses études de la création de paires de particules par des rayons gamma, de la mesure et de l'utilisation par ce type de rayonnement, ainsi que les bases théoriques de la compréhension de l'effet Tcherenkov.
Frank reçoit le prix Nobel de physique en 1958, en compagnie de Pavel Tcherenkov et Igor Tamm, « pour la découverte et l'interprétation de l'effet Tcherenkov ».