Betydningen av disse Onsagers såkalte resiprositetsrelasjoner ble ikke fullt ut forstått før etter krigen, men de ble fremhevet i begrunnelsen for hans Nobelpris i kjemi i 1968. Det som derimot førte til Onsager plutselige berømmelse utenfor fysikalsk kjemi, var hans eksakte løsning under krigen av Ising-modellen, først som en bemerkning i 1942, deretter publisert i 1944. Ising-modellen er den enklest tenkelige modell for et system med faseovergang (analogt faseovergangen mellom vann og is) som skyldes mikroskopiske vekselvirkninger: På et uendelig kvadratisk gitter er det et spinn (en liten magnetnål som kan ha to mulige orienteringer, «opp» eller «ned»). Mellom nabospinn er det en vekselvirkning som gjør det energetisk foretrukket at spinnene peker samme vei. Systemets totale magnetisering er summen av alle enkeltspinnene, med pluss for opp, minus for ned. Ved høye temperaturer er vekselvirkningen for svak til å disiplinere spinnene, de vil peke opp og ned slik at den totale magnetiseringen er null. Under en bestemt temperatur (den kritiske), får vekselvirkningen overtaket, da vil spinnene kollektivt foretrekke en av de to mulige orienteringene, og den totale, spontane magnetisering blir forskjellig fra null. Onsager løste Ising-modellen eksakt i null magnetfelt, og viste at varmekapasiteten divergerer logaritmisk ved kritisk temperatur. Dette var første gang en eksakt løsning ble funnet for et vekselvirkende mangepartikkel-system. Flere eksakte resultater for modellen ble utviklet av Onsager i samarbeid med Bruria Kaufmann i årene som fulgte.