李政道的研究领域很宽，在量子场论、基本粒子理论、核物理、统计力学、流体力学、天体物理方面的工作也颇有建树。
1949年与罗森布拉斯合作提出普适费米弱作用和中间玻色子的存在。
1951年提出水力学中二维空间没有湍流。
1952年与派尼斯合作研究固体物理中极化子的构造。
1954年发表了量子场论中的著名的"李模型"理论。
1957年与奥赫梅合作提出电荷共轭不守恒和时间不反演的可能性。
1959年研究了硬球玻色气体的分子动理论，对研究氦Ⅱ的超流动性作出了贡献。
1962年研究了带电矢量介子电磁相互作用的不可重正化性。
1964年与瑙恩伯合作，研究了无（静止）质量的粒子所参与的过程中，红外发散可以全部抵销问题，这项工作又称李－瑙恩伯定理。
20世纪60年代后期提出了场代数理论。
70年代初期研究了CP自发破缺的问题，又发现和研究了非拓扑性孤立子，并建立了强子结构的孤立子袋模型理论。70年代后期和80年代初，继续在路径积分问题、格点规范问题和时间为动力学变量等方面开展工作；后来又建立了离散力学的基础。[11]