Fermi felesége a férjéről, életükről írt könyvében (Laura Fermi: Atom a családban, Tornai József fordítása) Majoranát is bemutatja: "Majorana géniusz volt... az éleselméjűség és a gondolkodóképesség nagy jelensége, a legmélyebb és legkritikusabb szellem a fizika épületében. ... De Majorana nehéz ember volt; befelé forduló, mindenkitől félő ember. ... A sötét szemű, spanyolos külsejű Majorana sohasem volt megelégedve a matematikai bizonyításokkal, tovább tanulmányozta az egyes problémákat. Éles elméje egyre mélyebbre és mélyebbre hatolt, kérdéseket téve föl, és hibákat mutatva ki. Ettore Majorana volt a »Nagy Inkvizítor«."

Majorana egyetemi tanulmányai után Fermi római kutatócsoportjában dolgozott, a "Panispera utcai fiúk" egyike volt (ebben az utcában volt Fermi laboratóriuma). Egyetemista korában írt, 1928-ban megjelent első tudományos dolgozatában atomspektroszkópiai problémákat oldott meg. 1931-ben elsőként írta le az atomok spontán ionizációját, majd az időben változó mágneses térbe helyezett atomok spektroszkópiájáról értekezett. Továbbfejlesztette, módosította Werner Heisenberg elméletét az atommagot összetartó erők jellegéről (Majorana-erő), a Majorana-potenciál magyarázatot adott az atommagsűrűség és a kötési energia telítettségére. Majorana egy probléma megoldása után rendszerint nem sietett eredményeit szakcikkekben közreadni. "Ettore még a gondolatától is visszariadt a nyomtatott betűnek; attól a gondolattól, hogy idegen szellem belessen az ő elméjébe" - írta Laura Fermi. Frédéric és Iréne Joliot-Curie kísérleteit értelmezve Majorana felismerte, hogy az atommagban létezik egy semleges, a protonhoz hasonlóan nehéz részecske. Megelégedett azzal, hogy ezt elmondta Ferminek, ezért nem őt, hanem James Chadwicket tartjuk a neutron felfedezőjének. A neutrínókat leíró egyenletéről azért értesült a világ, mert Fermi megírta és Majorana neve alatt megjelentette a cikket. Egy 1932-es Majorana-dolgozatban a mai modern fizika legalapvetőbb kérdései jelennek meg, például a szuperszimmetria és a spontán szimmetriasértések. Tanítványai megőrizték jegyzeteit, ezekből kiderül, hogy Majorana az 1930-as években már felismerte azt, amit majd Richard Feynman fedez fel 1948-ban és ma gráfoknak nevezünk.

Megpályázott és elnyert egy egyetemi állást Nápolyban. Ismét Laura Fermit idézzük: "...bármennyire is eltökélte, hogy tanítani fog, képtelen volt szembenézni a tanteremmel és a hallgatókkal. Néhány óra múlva pánikszerűen menekült Nápolyból. Bejelentette öngyilkosságát, és egy hajóval elindult haza, Palermóba. Meg is érkezett. De attól kezdve nyoma veszett. Valaki látni vélte, amint egy másik hajóval visszaindult Nápolyba. Más utasok azonban nem látták, és Nápolyban nem szállt partra. A családja sokáig kereste őt Palermo és Nápoly környékén, de soha többé nem találták meg, se élve, se holtan". 1938. március 27-e óta nem látta senki. Fermi a Duce segítségét is kérte Majorana felkutatásához.

Eltűnéséről máig sem tudni semmi biztosat, a témával foglalkozó tanulmányok, könyvek általában három lehetőséget tárgyalnak: öngyilkos lett, esetleg elrabolta egy külföldi hatalom, vagy maga választotta az eltűnést, és valószínűleg elhagyta Olaszországot. Családja és gyóntatópapja kizártnak tartotta az öngyilkosságot, Majorana mélyen hívő katolikus volt. Az öngyilkosság ellen szól az is, hogy eltűnése előtt kivette a bankból megtakarított pénzét. Jó ismerői szerint egy kolostorba vonulhatott vissza. Az önkéntes eltűnés mellett rendszerint azzal érvelnek, hogy Majorana előre látta az atomenergia pusztító erejét, és ennek megvalósításában nem akart egy fasiszta államban részt venni. Ezt a vélekedést elsősorban Leonardo Sciascia író képviselte szenvedélyes könyvében. Majorana hajdani fizikus munkatársai nem tudták megingatni az írót ebben a hitében, a fizikusok szerint akkor senki sem láthatta előre az energiafelszabadulással járó atommaghasadást. Az 1950-es években többször látni vélték Majoranát Argentínában. Olasz lapok írtak egy utcán élő emberről, aki saját állítása szerint valaha híres fizikus volt.

Majorana eltűnése óta évtizedek teltek el, ma már nincs remény a tényleges történések felderítésére. Igaznak bizonyult Fermi megjegyzése: "Majorana olyan intelligens volt, hogy akár az eltűnése, akár testének eltüntetése mellett döntött, azt sikerrel valósíthatta meg". A lehetséges magyarázatok sorát nemrég megdöbbentő feltételezéssel bővítette egy ukrán elméleti fizikus, a harkovi egyetemen dolgozó O. B. Zaszlavszkij. Szerinte Majorana eltűnésével, halálával életre keltette a kvantummechanika alapelveit.

Zaszlavszkij szerint Majorana gondosan kidolgozott eltűnésével a kvantum-szuperpozíciót akarta bemutatni, megvalósítani. Egy részecske egyidejűleg két, egymást kölcsönösen kizáró állapotban létezhet, erre utal Schrödinger híres gondolatkísérlete. Schrödinger macskája egyszerre élő és halott. Majorana a saját életével ugyanezt a kettőséget akarta illusztrálni. Zaszlavszkij Majorana utolsó, családjának és a nápolyi egyetem fizikai intézete vezetőjének, Antonio Carelli profeszszornak küldött üzeneteire alapozza feltételezését. Majorana levélben írta meg öngyilkossági szándékát, a leveleket nem adta postára, hanem nápolyi szállodájára bízta. Carellinek írta: "Döntésem elkerülhetetlen volt. Tudom, hogy hirtelen eltűnésem kényelmetlenséget okoz önnek és diákjaimnak, kérem, bocsássák ezt meg nekem..." Családjának írta: "egyetlen kívánságom van, ne viseljetek feketét... csak három napig gyászoljatok". Palermóba érve táviratot küldött, és ebben visszautasította, hogy öngyilkos szándékai lennének. Carellinek küldött harmadik levelében azt a reményét fogalmazza meg, hogy a professzor egy időben kapta meg a levelet és a táviratot. Erre az egyidejűségre figyelt fel Zaszlavszkij. Normális esetben a feladó abban bízik, hogy második üzenete az első előtt ér oda, így a címzett már nem aggódik a levélíró öngyilkossági szándéka miatt. Majorana viszont azt akarta, hogy az egymást kizáró két lehetőség, az öngyilkosság és a továbbélés egyidejűleg, egymás mellett létezzen, mint a hamleti kérdés, lenni vagy nem lenni kvantummechanikai változata.

Zaszlavszkij az eltűnést kísérő további történésekben is ugyanezt a kettősséget ismerte fel: Majorana szélhámosokat bérelt fel, hogy játsszák el az ő szerepét a hajóúton. Zaszlavszkij cikkében részletesen elemezte az összes elképzelhető variációt a valódi Majorana és az ál-Majoranák együttes fellépéséről. Majorana a Carellinek írt levélben említi Ibsent: "én nem egy fiatal lány vagyok egy Ibsen-darabból", majd később "ne gondolja, hogy egy Ibsen-hősnőre hasonlítok, az én esetem más". Az Ibsen-darabok nem hasonlítanak Majorana helyzetére, de nem kétséges, hogy az eltűnését gondosan megtervező Majorana nem véletlenül említi Ibsent. Két Ibsen-darabban követ el nő, fiatal lány vagy asszony öngyilkosságot, ezért nem lehet azonosítani a személyt, Zaszlavszkij a kétségben, a személy azonosíthatatlanságában is a kvantummechanikai kettőséget látja.

Majorana tényleges sorsa és motivációi továbbra is rejtve maradnak. G. Gorelik bostoni tudománytörténész szerint egy történész számára nagyon nehéz egy másik ember gondolatvilágát megismerni. Zaszlavszkij, egy másik szakmabeli, egy másik elméleti fizikus azonban képes volt Majorana agyába látni, mondta Gorelik az olasz fizikus rejtélyét most felidéző New Scientistnek.