W 1963 r. w wieku zaledwie 28 lat zrozumiał mechanizm mieszania się kwarków i stworzył teorię zwaną kątem Cabibby. Odkrycie to przed dwoma laty zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Nie otrzymał jej jednak prof. Cabibbo, wówczas już prezes Papieskiej Akademii, lecz trzej japońscy fizycy, którzy uogólnili ideę włoskiego fizyka i na jej podstawie stworzyli macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Ten afront względem papieskiego akademika włoskie środowisko naukowe jednomyślnie okrzyknęło kradzieżą i najbardziej niesprawiedliwym posunięciem Komitetu Noblowskiego

Jako naukowiec prof. Nicola Cabibbo był związany z rzymskimi uniwersytetami Sapienza i Tor Vergata. Pracował również w głównej siedzibie Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych pod Genewą. W latach 1985-1993 stał na czele Krajowego Instytutu Fizyki Jądrowej. W 1986 r. został przyjęty do Papieskiej Akademii Nauk, a od 1993 r. był jej prezesem. Pełniąc tę funkcję wiele uwagi poświęcał dialogowi wiary i rozumu, zwłaszcza w odniesieniu do kosmologii i ewolucji wszechświata.