I 1924 ble Landau immatrikulert på institutt for fysikk ved Leningrad-universitetet. I Leningrad, senteret for sovjetisk fysikk på den tiden, ble han fortrolig med teoretisk fysikk, som var i voldsom utvikling. Arbeidsmengden og entusiasmen han la for dagen var enorm, slik at han om natten ikke fikk sove, men fortsatte med å flytte formler omkring. I 1927 ble han uteksaminert derfra, med studerte videre Leningrads fysikk-tekniske institutt, og fikk dermed når han var 21 en doktorgrad.