吴大猷的推荐下，1946年赴美进入芝加哥大学，师从恩里科·费米。1950年获得博士学位之后，与合作者一起从事统计物理的相变以及凝聚体物理学的极化子的研究。1953年，他任哥伦比亚大学助理教授，主要研究工作是在粒子物理和场论领域。1958年，李政道当选中央研究院第二届院士，年仅32岁，至今仍为最年轻当选的院士。李政道于1962年加入美国国籍。自从1970年代初，他和夫人秦惠莙开始回中国大陆访问。他向有关方面建议重视科技人才的培养、重视基础科学研究：促成中美高能物理的合作，建议和协助建立北京正负电子对撞机；