與楊振寧的合作
1945年，國民黨政府正著手組建中國的軍事科學事業，吳大猷提出，應該先成立有助於國防科學的研究機構，培養相應的工作人才。並提出選派優秀青年出國留學，學習物理、數學等科學知識。在推薦出國留學的學生名單時，吳大猷毫不猶豫地推薦了李政道去國外學習物理。
1946年，李政道乘上了前往美國留學的輪渡。當時已經20歲的李政道隻有大二的學曆，經過嚴格的考試，竟然被美國芝加哥大學錄取。三年後，李政道以一篇有《特殊見解和成就》的論文獲得了博士學位，被芝加哥大學的同學們譽為“神童博士。”
在李政道到美國前，吳大猷早已給在芝加哥的物理學家楊振寧打過了招呼，要他好生照看李政道。楊振寧便為李政道在大學的國際公寓預定了房間，李政道剛到美國，便和這位高出他兩屆的西南聯大校友成為好朋友，之後兩人常常聯名發表論文，關係十分的親密。次年夏天，還一起乘坐花錢買來的轎車到美國西部遊玩。
1950年，李政道到伯克利加州大學任教，1951年，楊振寧偕妻子到了普林斯頓高等研究院，師從美國“原子彈之父”奧本海默，沒想到的是，他能夠和李政道再次相遇。此後，兩人進行兩維伊辛模型的磁化研究，當時兩家比鄰而居，開始了兩人的合作生涯。
1951年秋天，兩人聯名發表了關於統計力學的論文，首次給出了不同熱力學函數的定義。次年，兩人見到了當時世界上最偉大的科學家愛因斯坦，愛因斯坦對這兩位中國的物理學家給予了很高的評價。
當時李政道、楊振寧二人在研究院通力協作，並且取得了卓越成就，以及他們兩家人之間，關係變得親密起來，被研究院的工作人員傳為佳話。但是，很快兩人之間關於論文署名前後順序而產生了矛盾。當時按照國際慣例，署名順序應該按照合作者姓氏的英文首字母順序排列，李政道應該排在楊振寧的前麵。
可是，有一次，楊振寧突然提出，按照年紀排列，因為他比李政道大四歲，希望署名能夠排在李政道的前麵。對此，盡管李政道是百般地不樂意，卻仍然捏著鼻子認了。後來，在聯合發表論文時，李政道費盡口舌之利，勉強勸服楊振寧按照字母順序排名。
但是署名的問題，讓兩人親密無間的關係產生了裂痕。不久，李政道離開了普林斯頓研究院，去哥倫比亞大學任教，三年後，擔任該校物理係教授，當時的李政道還不滿三十歲，他哥倫比亞大學建校兩百年來最年輕的教授。
1953年，李政道對楊振寧和美國物理學家米爾斯合作發表的《同位旋守恒和同位旋規範不變性》論文產生了疑問。後來，楊振寧到哥倫比亞大學看望李政道，李政道就向他表明了自己的疑問。兩人經過探討，楊振寧最終被李政道說服了，並且發表了一篇聯合署名的論文——《重粒子守恒和普適規範轉換》，李政道的名字排名在前。
這件事情，讓兩人重拾合作機會。一直到1962年，兩人共同發表了三十多篇論文，其中共同獲得諾貝爾物理學獎的科研成果，也是在這個時期誕生的，他們發現的“宇稱不守恒定律”，被稱為“二十世紀的物理學革命。”
心係祖國
李政道對祖國十分的關心，從1972年，中美兩國關係逐漸緩和，李政道經常訪問中國。為了促進中國物理學的發展，1980年起，他又在美國幾十所高校招收中國的研究生，為祖國培養了很多青年物理學家，在教育上做出了重大貢獻。李政道先後被中國科技大學、複旦大學、暨南大學、清華大學等國內高校授予名譽教授的頭銜。
李政道對中國幾千年的曆史文化十分喜愛，他曾積極倡導將科學文化同文藝相結合，本人也經常隨筆作畫。他認為，培育人才，必須要從小開始。
1974年5月30日，李政道接受了毛澤東的會見，兩人談論中國的教育問題時，李政道提出在中國科技大學開設少年班的建議，毛澤東主席采納了他的意見。1979年，李政道去安徽合肥科技大學訪問時，便去看望了少年班的同學，並親筆題詞：“青出於藍，而勝於藍，”以鼓勵少年班的學子們。