1951年，提出水力學中二維空間的流體沒有湍流，其論文《二維液體和三維液體的湍流的差異》對氣象預報的計算產生了重要影響。同年，李與楊振寧共同發表論文，首次給出不同熱力學函數的嚴格定義，推翻了邁耶、波恩等人建立的相變基本觀念，標志著統計力學對相變問題嚴格處理的新開端。著名的李-楊單元定理也是在這一時期得到證明的。
1952年，與洛、派恩斯合作，完整解決了極化晶體中的極化子問題，這一工作直接啟發了巴丁、庫珀和施里弗提出BCS理論，三人也因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。
1954年，發表論文，提出關于量子場論中的可解模型，被稱之為“李模型”。這一模型推動了量子色動力學的發展，對場論和重整化研究有很大的作用和影響。
1956年，任哥倫比亞大學正教授，是哥倫比亞大學建校200多年歷史上最年輕的正教授。
1957年，提出二分量中微子的理論，對宇稱不守恒作出了定量的預言。與楊振寧合作提出的弱相互作用中宇稱不守恒理論，徹底改變了世人對對稱性的認識，為人類探索微觀世界的道路上打開了一扇新的大門，促進了物理學的發展，為此共同獲得1957年諾貝爾物理學獎。
1957年至1960年為止，和黃克孫研究了玻色硬球系統的統計，建立了統計物理中多體問題通用的理論框架，發現有相互作用的玻色系統可以導致超流現象，從而對氦2的奇特性質有了進一步了解。
1960年，與他在哥倫比亞大學的同事開創了高能中微子物理的重要領域。
1964年，與瑙恩伯格描述了KLN定理，在量子色動力學當今工作中一直起著重要作用，仍然是粒子物理的關鍵熱點課題。
1974到1975年，發表了題為“高密度下一種物質的新形態”系列文章。這些文章開創了相對論重離子碰撞物理的現代領域，至今仍統領整個高能核物理領域。
1975年起，與同事合作開創了非拓撲孤立子領域。之后在1986年，將非拓撲孤立子同廣義相對論結合，開創了孤子星領域，成為暗物質、類星體等的理論模型之一。
1983年，發表量子場論的離散描述及其相關文章，指出時間可能是離散動力學變量，并與弗雷德伯格共同提出離散量子力學。這套是今后統一場論的可能途徑之一。
1986年以來，在高溫超導的研究中，探討了凝聚態物理、多體統計等方面的問題，和弗里德伯格一起提出玻色子-費米子超導模型，該模型結合了玻色-愛因斯坦凝聚和BCS理論。
1994年，當選首批中國科學院外籍院士。
1998年，領導哥倫比亞大學物理系理論組設計建造了兩臺當時世界計算速度最快的量子色動力學專用超級計算機。
1999年起，與弗雷德伯格、趙維勤發展了一系列解薛定諤方程新方法，這種方法開創的新方向受到廣大物理學家的密切關注。
2006年，在八十歲時依然在這一領域發表論文。
2011年，在哥倫比亞大學物理系榮休，至此，共發表學術論文321篇。
2024年8月4日，逝世，享年97周歲。
《弱相互作用中宇稱守恒的問題》《弱相互作用中的宇稱守恒問題》《夸克模型——今日的粒子物理》《對稱和不對稱》《沒有今日的基礎科學，就沒有明日的科技應用》《藝術和科學》《科學和藝術》《物理學的挑戰》
《場論簡引和粒子物理》《場論與粒子物理學》《物理學中的數學方法》《粒子物理和場論簡引》《對稱，不對稱和粒子世界》《李政道文錄》等
1957年，當選為臺灣“中央研究院”院士。
1959年，當選為美國藝術和科學院院士。
1964年，當選為美國國家科學院院士。
1970年，當選為香港中文大學榮譽法學博士學位。
1982年，當選為意大利林琴科學院外籍院士。
1994年，當選為中國科學院外籍院士。
2009年，當選為改革開放三十年中國最有影響的海外專家。
2015年，當選為2015中華文化人物。
1950年，獲得芝加哥大學校長獎。
1957年，獲得諾貝爾物理學獎。
1957年，獲得愛因斯坦科學獎。
1969年，獲得G. Bude獎章。
1986年，獲得意大利最高騎士勛章。
1994年，獲得1994年度和平科學獎。
1995年，獲得中國國際合作獎。
1997年，獲得紐約市科學獎。
1999年，獲得中國政府友誼獎。
2007年，獲得日本旭日重光獎章。
李政道是對祖國充滿深厚感情和眷戀的愛國科學家，他十分關心祖國的發展，為中華民族的振興傾注了滿腔熱忱。（李政道研究所 評）
李政道為中國科學教育戰略布局、高能物理前沿探索、高水平人才培養和國際交流與合作做出了無可替代的貢獻。（央視新聞客戶端 評）
李政道是一個極聰明的物理學家，吸收能力強，工作十分努力。（李政道同事、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧評）
他（李政道）思維敏捷的程度大大異乎常人。（李政道老師、物理學之父、時任西南聯大物理系主任吳大猷 評）
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