1948年，李政道經過嚴格的考試，取得了準備博士論文的資格。在費米教授的指導和關懷下，李政道選寫了題目是《白矮星的含氫量》博士論文。
1950年，李政道順利地通過了論文答辯，獲得芝加哥大學博士學位，當時他隻有24歲。
李政道的博士論文《白矮星的含氫量》得到專家一致的高度評價，初露李政道在物理方麵的才能。專家對這篇論文的評價是：“有特殊見解和成就的高水平的論文。”
李政道的論文被列為當年博士論文第一名，獲得獎金1000美元。芝加哥大學校長在授予李政道博士學位證書時說：“這位青年學者的成就，證明人類高度智慧的階層中，東方人和西方人具有完全相同的創造能力。”
聽了校長這番話，李政道十分激動。他深深地意識到，芝加哥大學校長的這番話不僅僅是對李政道本人講的，而且是針對整個中華民族而言的。手捧博士證書的李政道，除了激動之外，他也想起了華盛頓街頭的徘徊、苦惱和失望，想起了街頭的小樹和蛛網。他也想起了吳大猷先生，他以自己的聰明才智和刻苦努力報答了吳大猷先生的關愛和幫助。此刻他也想起了遠在祖國的父母和兄弟，他多麼想讓親人和他一起分享此時的快樂啊！激動之後，李政道也清醒地認識到，博士帽戴在頭上，隻是萬裏征程的第一步，以後的路更長，任務更艱巨。手捧博士證書，麵向未來，李政道充滿了自信和力量，不管前麵的路有多長，困難有多大，他都能克服。
李政道邁著堅實的步伐走下了領獎台。
4．靈犀一點，字謎遊戲使李、楊走向合作
楊振寧和李政道都住在大學的國際學生宿舍中，他們倆朝夕相處在一起。在這段時間內，楊振寧和李政道一起認真地研究物理學，李政道從楊振寧那裏學到了很多物理知識，楊振寧在這個領域裏的研究要比他早三四年。在芝加哥大學，研究生大都希望依靠自己或通過相互討論來學習增長學識，因為僅學習學校的課程是遠遠不夠的。楊振寧在1948年取得博士學位，這時，李政道才取得了進行博士論文寫作的資格。楊振寧拿到博士學位證書後，到普林斯頓高等學術研究所工作，此後成績非常突出。
1966年任紐約州立大學石溪分校教授；1986年至今兼任香港中文大學客座教授。他與李政道教授在1957年一起獲得諾貝爾物理獎之後，1986年獲美國國家科學獎，1993年獲美利堅哲學學會頒發的本傑明？富蘭克林獎章，1994年秋又獲費城富蘭克林學院頒發的鮑威爾科學成就獎。
李政道和楊振寧在事業上的心心相通，是從字謎比賽開始的。
1947年年初的一天，芝加哥的一家頗有影響的大報紙登出舉辦字謎比賽的消息，頭等獎可以獲得5萬美元的獎賞，獎金數量相當可觀。這項活動對青年人很有吸引力，許多青年茶餘飯後都在談論這件事，一些人簡直到了入迷的地步。
李政道和楊振寧從小都喜歡做這類有意思的智力遊戲，這次字謎活動也激起了兩個人的興趣。他們無論幹什麼都非常認真，在業餘時間拿來報紙，認真地、逐條逐字地對比賽遊戲研究起來。他們很快發現比賽規程上有一處模糊不清，使得字謎可以作兩種解釋說明。兩位中國青年認為，這種模糊不清正是出題人的高明所在。他們倆經過合計後，就交上了自己認為合理的兩套答案。兩位中國青年人認為，他們這次穩獲頭獎。但結果出人意料，幾天之後，他們收到報社寄來的答複，答複是否定的。這個結果使他們心裏感到很不平，好幾天心裏還靜不下來。通過這次遊戲，李政道和楊振寧發現彼此誌趣非常投合，在抽象思維方麵，他們有更多的共同語言，尤其在物理方麵都有濃厚的興趣和堅定的信念。
1948年，是李政道和楊振寧正式開始事業上合作的一年。在費米先生的指導下，李政道、楊振寧和羅森布魯斯一起寫了一篇關於粒子物理方麵的文章。
1950年，李政道在獲得博士學位後，在芝加哥大學天文學係工作半年。之後，他又來到加利福尼亞大學物理係任講師，搞物理方麵的研究工作。一年之後，在費米先生極力推薦下，李政道於1951年秋來到普林斯頓高級研究所工作。在這裏，李政道又與楊振寧會合了。
從此，他們倆的關係日益密切，開始共同進行弱相互作用這一理論物理學中的前沿高難度問題的研究。