Основатель города Николай Семёнов получил ее в 1956 году за разработку теории цепных реакций.

Физик-теоретик Алексей Абрикосов, который был одним из основателей Института теоретической физики, стал нобелевским лауреатом в 2003 году совместно с академиками Виталием Гинзбургом и Энтони Леггеттом — за «основополагающие работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей».

Мировой сенсацией стало открытие Андрея Гейма и Константина Новосёлова: они получили углеродную пленку толщиной всего в один атом из куска графита — такого же, какой используется в обычных карандашах. Новый материал назвали «графен», и с его помощью теоретически можно создавать имплантаты для мозга, чтобы заменять его поврежденные участки. Гейм и Новосёлов до 1990 года работали в Черноголовке, а свое открытие они сделали уже в Великобритании, где живут с 2001 года. Нобелевский комитет отметил их открытие престижной наградой в 2010 году.