1950年，李政道发表了博士毕业论文。论文在白矮星的含氢量的计算和钱德拉斯卡极限方面做出了出色工作,证明白矮星是太阳质量大小恒星演化的后期阶段，对天体演化理论的发展做出了重要贡献。论文还第一次正确地给出了非常致密物质的电导公式，后来在材料科学中被广泛地引用。

1951年，李政道引入海森堡的涡流间能量传递方程，证明二维空间流体和三维空间流体的差异，并指出二维空间流体不会产生湍流。这一理论对天气预报的发展有着重要贡献。

1952年前，物理学家认为液相可以通过气相的解析延拓获得，但这一理论被发现存在问题。1952年，李政道同杨振宁合作，在有限系统中通过取无限体积的极限，得到所有不同的相，随后又用具体的格点气体系统为例子，完善地阐述了结论的可靠性，其中提出了著名的李－杨单圆定理。

1952年到1953年间，李政道与D. Pines合作研究极性晶体中的电子和晶格场相互作用。其中，在研究慢电子在极性晶体内的运动过程中，对极化子进行了简化，其研究成果促进了1956年的BCS超导理论的发现。

1954年李政道发表了量子场论中著名的"李模型"理论。在量子场论中，绝大部分的解都是通过一种近似的办法求解，其是否正确需要检验。李模型有解析的解，可以用来检测近似方法是否有效。该模型的建立，对此后的场论和重整化的研究意义深远。

当同一系统中有几个守恒定律起作用时，常有可能需要定义新的量子数和新的选择定则。1956年，李政道和杨振宁在研究强作用的同位旋对称性和电荷共轭C不变性的相互影响时，定义了一个新的量子数G，即G宇称算符。

1956年和杨振宁合作对θ-τ之谜进行研究，提出弱相互作用下宇称守恒质疑，对粒子物理学理论做出重大改进，并因此获得1957年诺贝尔物理学奖。

1956年提出宇称（P）不守恒后，CPT的守恒和P的不守恒必然意味着CP的不守恒。李政道和杨振宁随即展开研究，其研究成果为1964年T和CP不守恒的实验（后获得1980诺贝尔物理学奖）打下了理论基础。

李政道对对量子统计力学中的多体问题开展研究。上世纪五十年代，多体问题有两个突出研究领域：超导和超流。1959年，李政道与杨振宁合作，对稀薄硬球的玻色子系统的低温行为进行了全面的解析分析，并在氦Ⅱ的超流动性研究上作出了贡献。

1957年同杨振宁合作提出二分量中微子理论。1960年开始，又合作分析高能中微子的作用，建议了该领域以后20多年理论研究和实验工作的方向。

1964年与瑙恩伯合作，研究并提出了无（静止）质量的粒子所参与的过程中，一种从可观测量中消除质量奇异性的方法，解决了因质量奇异性带来的量子色动力学理论结果与实验结果比较时的困难。这项工作又称KLN (Kinoshita-Lee- Nauenberg)定理，是目前强相互作用实验中不可缺少的定理，也是用高能喷注发现夸克和胶子的理论基础。

在菲奇（V. Fitch）、克罗宁（J.Cronin）等人发现CP不守恒之后，李政道提出由自发对称破缺引起T破坏的模型。

上世纪七八十年代，李政道开展一系列QCD真空性质的研究，其新观念为从事强相互作用研究的粒子物理理论学家指出了一条新的基础性研究道路。李政道与G.C. Wick探讨并建立孤粒子研究和真空性质研究之间的桥梁，提出了Lee-Wick核子激发态，推测一种尚未被观测过的物理系统存在的可能性，为核物理以及基本粒子的强相互作用研究指出了一条全新的基础性研究道路。

上世纪七十年代，李政道指出，高能物理实验一直努力将越来越高的能量集中于越来越小的范围。为了研究真空，必须转到另一个方向，将很高的能量集中于一个相当大的范围，并指出其中一种质量的改变会表现为一种从通常的核物质向具有较高密度和结合能的核物质的新形态的改变，即“反常”核态。

1976年开始，李政道和R. Friedberg 及A. Sirlin找到一批场论中的经典解及其量子化解，李政道称之为非拓扑性孤立子，建立了场论的一个新领域。1978年，和R. Friedberg 建立了强子的孤立子模型。

1982年为解决格点规范中的费米子谱倍增和平移、转动对称性破坏两大问题，和N. H. Chirst及R. Friedberg提出随机格点理论。

为了探测“反常”核态，李政道提出了它在相对论重离子碰撞中产生的可能性，并由此建立了相对论重离子碰撞领域。

李政道通过一系列研究，提出了在满足一定条件下，黑洞可以不是永远发射黑体辐射的存在。

李政道一直致力于研究物理的基本规律。很长一段时间中，物理学认为连续模型更为基础，离散状态（数学表现为差分方程）是连续模型的近似。二十世纪八十年代，李政道指出离散模型是物理学更为基础的模型，连续模型则是离散模型的近似。

1986年，李政道在研究黑洞问题的过程中，将非拓扑孤立子的概念应用到恒星天体中，并且考虑广义相对论的效应，创立了孤立子星研究领域。孤立子星解的存在开辟了构建宇宙学和天文学模型的新的可能性。

尽管在物理真空中没有“物质”，但由于测不准原理，相互作用的存在必然在真空中引起能量涨落，因而使它成为一个复杂系统。李政道总结出真空可能是一种物理介质，会出现不对称性，有可能通过改变局部的真空的性质从而产生新的物理现象。

为研究简并的物理真空,需要求解非微扰问题。李政道发展了一种新的迭代方式求解薛定谔方程，解决围绕展开的收敛问题，在该研究领域开创了新的方向。

李政道引入破坏时间反演守恒的相因子，建立了中微子映射矩阵及夸克的CKM矩阵与轻的轻子和夸克的质量的直接联系。

李政道提出了“时间子”（Timeon）的概念和模型。时间子这个名字是李政道先生起的，他笑言：“‘子’是孔子、老子的子，假如这个理论证明是正确的话，时间子将是很特殊的、与‘时间’的存在有密切关系的粒子。”在这个理论中，时间子的存在决定将来跟过去的分别。将来和过去怎么区分呢？每个人都知道时间不会倒退的，可是为什么不能倒退呢？时间子理论就是探讨这个很基本的问题的。但是，这个理论如何证明呢？他指着论文说：“这篇论文就是分析什么样的实验能帮助验证‘时间’的来源。这和大亚湾中微子实验也有密切关系。”