Jabarkan NCAR dan proyek-proyek terkait dari I.M. Pei

Pei akhirnya bisa merancang lagi secara langsung setelah ia diminta oleh Walter Orr Roberts pada tahun 1961 untuk mengerjakan proyek Laboratorium Mesa di National Center for Atmospheric Research di luar kota Boulder, Colorado. Proyek tersebut berbeda dari proyek-proyek perkotaan yang sebelumnya dikerjakan oleh Pei; proyek ini berlangsung di ruang terbuka di kaki bukit Pegunungan Rocky. Ia membawa serta istrinya ke wilayah tersebut dan mereka mengunjungi berbagai gedung dan lingkungan alam sekitar. Ia dibuat kagum oleh gedung Akademi Angkatan Udara AS di Colorado Springs, meskipun ia merasa bahwa bangunan tersebut "terpisah dari alam".

Tahap konseptualisasi merupakan tahap yang penting bagi Pei, dan ia merasa perlu keluar dari tradisi Bauhaus. Kelak ia menceritakan masa-masa yang ia jalani di wilayah tersebut: "Aku ingat tempat-tempat yang aku lihat dengan ibuku saat aku masih kecil—tempat pertapaan Buddhis di puncak gunung. Di pegunungan Colorado, aku mencoba mendengarkan keheningan lagi—seperti yang diajarkan oleh ibuku. Penyelidikan tempat tersebut menjadi semacam pengalaman keagamaan bagiku."

Pei juga terilhami oleh tempat tinggal suku bangsa Pueblo kuno di tebing Mesa Verde; ia ingin agar bangunan-bangunan yang ia rancang selaras dengan alam di sekitarnya. Maka dari itu, ia meminta agar batu-batuan yang menjadi bahan bangunan disesuaikan warnanya dengan warna pegunungan terdekat. Ia juga menetapkan lokasi laboratorium tersebut di atas bukit dengan puncak datar yang menghadap ke arah kota, dan merancang jalan masuk yang panjang dan berkelok-kelok.

Roberts awalnya tidak menyukai rancangan Pei dan menurutnya rancangan tersebut "hanyalah sekumpulan menara". Roberts memberikan masukan-masukan yang bersifat ilmiah dan bukannya yang berkaitan dengan seni, sehingga Pei merasa putus asa. Walaupun begitu, rancangan keduanya sesuai dengan keinginan Roberts: bangunan-bangunan yang terkumpul di satu tempat dengan ruang di antaranya, yang dihubungkan dengan struktur di bagian bawah dan dilengkapi dengan dua lantai bawah tanah. Arsitektur bangunannya menggunakan unsur-unsur kubisme, sementara jalur untuk pejalan kaki diatur sedemikian rupa agar dapat meningkatkan kemungkinan bertemunya para kolega.

Setelah laboratorium tersebut selesai dibangun, timbul masalah-masalah yang terkait dengan konstruksinya. Kebocoran di atap membuat repot para peneliti, dan pergeseran lapisan tanah liat di bawah bangunan tersebut mengakibatkan keretakan yang harus diperbaiki dengan biaya yang tidak sedikit. Meskipun demikian, arsitek dan manajer proyek tersebut puas dengan hasil akhirnya. Pei menyebut karyanya yang ini sebagai "terobosan"nya, dan ia masih berteman dengan Roberts sampai ilmuwan tersebut menjemput ajal pada Maret 1990.

Nama Pei pun kembali disorot setelah keberhasilan proyek di NCAR. Ia lalu dipekerjakan dalam berbagai proyek, yang meliputi S. I. Newhouse School of Public Communications di Universitas Syracuse, terminal Sundrome di Bandar Udara Internasional John F. Kennedy di New York City, dan asrama-asrama di New College of Florida.