1951年，提出水力学中二维空间的流体没有湍流，其论文《二维液体和三维液体的湍流的差异》对气象预报的计算产生了重要影响。同年，李与杨振宁共同发表论文，首次给出不同热力学函数的严格定义，推翻了迈耶、波恩等人建立的相变基本观念，标志着统计力学对相变问题严格处理的新开端。著名的李-杨单元定理也是在这一时期得到证明的。
1952年，与洛、派恩斯合作，完整解决了极化晶体中的极化子问题，这一工作直接启发了巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论，三人也因此获得1972年诺贝尔物理学奖。
1954年，发表论文，提出关于量子场论中的可解模型，被称之为“李模型”。这一模型推动了量子色动力学的发展，对场论和重整化研究有很大的作用和影响。
1956年，任哥伦比亚大学正教授，是哥伦比亚大学建校200多年历史上最年轻的正教授。
1957年，提出二分量中微子的理论，对宇称不守恒作出了定量的预言。与杨振宁合作提出的弱相互作用中宇称不守恒理论，彻底改变了世人对对称性的认识，为人类探索微观世界的道路上打开了一扇新的大门，促进了物理学的发展，为此共同获得1957年诺贝尔物理学奖。
1957年至1960年为止，和黄克孙研究了玻色硬球系统的统计，建立了统计物理中多体问题通用的理论框架，发现有相互作用的玻色系统可以导致超流现象，从而对氦2的奇特性质有了进一步了解。
1960年，与他在哥伦比亚大学的同事开创了高能中微子物理的重要领域。
1964年，与瑙恩伯格描述了KLN定理，在量子色动力学当今工作中一直起着重要作用，仍然是粒子物理的关键热点课题。
1974到1975年，发表了题为“高密度下一种物质的新形态”系列文章。这些文章开创了相对论重离子碰撞物理的现代领域，至今仍统领整个高能核物理领域。
1975年起，与同事合作开创了非拓扑孤立子领域。之后在1986年，将非拓扑孤立子同广义相对论结合，开创了孤子星领域，成为暗物质、类星体等的理论模型之一。
1983年，发表量子场论的离散描述及其相关文章，指出时间可能是离散动力学变量，并与弗雷德伯格共同提出离散量子力学。这套是今后统一场论的可能途径之一。
1986年以来，在高温超导的研究中，探讨了凝聚态物理、多体统计等方面的问题，和弗里德伯格一起提出玻色子-费米子超导模型，该模型结合了玻色-爱因斯坦凝聚和BCS理论。
1994年，当选首批中国科学院外籍院士。
1998年，领导哥伦比亚大学物理系理论组设计建造了两台当时世界计算速度最快的量子色动力学专用超级计算机。
1999年起，与弗雷德伯格、赵维勤发展了一系列解薛定谔方程新方法，这种方法开创的新方向受到广大物理学家的密切关注。
2006年，在八十岁时依然在这一领域发表论文。
2011年，在哥伦比亚大学物理系荣休，至此，共发表学术论文321篇。
2024年8月4日，逝世，享年97周岁。
《弱相互作用中宇称守恒的问题》《弱相互作用中的宇称守恒问题》《夸克模型——今日的粒子物理》《对称和不对称》《没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用》《艺术和科学》《科学和艺术》《物理学的挑战》
《场论简引和粒子物理》《场论与粒子物理学》《物理学中的数学方法》《粒子物理和场论简引》《对称，不对称和粒子世界》《李政道文录》等
1957年，当选为台湾“中央研究院”院士。
1959年，当选为美国艺术和科学院院士。
1964年，当选为美国国家科学院院士。
1970年，当选为香港中文大学荣誉法学博士学位。
1982年，当选为意大利林琴科学院外籍院士。
1994年，当选为中国科学院外籍院士。
2009年，当选为改革开放三十年中国最有影响的海外专家。
2015年，当选为2015中华文化人物。
1950年，获得芝加哥大学校长奖。
1957年，获得诺贝尔物理学奖。
1957年，获得爱因斯坦科学奖。
1969年，获得G. Bude奖章。
1986年，获得意大利最高骑士勋章。
1994年，获得1994年度和平科学奖。
1995年，获得中国国际合作奖。
1997年，获得纽约市科学奖。
1999年，获得中国政府友谊奖。
2007年，获得日本旭日重光奖章。
李政道是对祖国充满深厚感情和眷恋的爱国科学家，他十分关心祖国的发展，为中华民族的振兴倾注了满腔热忱。（李政道研究所 评）
李政道为中国科学教育战略布局、高能物理前沿探索、高水平人才培养和国际交流与合作做出了无可替代的贡献。（央视新闻客户端 评）
李政道是一个极聪明的物理学家，吸收能力强，工作十分努力。（李政道同事、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁评）
他（李政道）思维敏捷的程度大大异乎常人。（李政道老师、物理学之父、时任西南联大物理系主任吴大猷 评）
