В 1927 был командирован в Данию к Бору, в Англию и Швейцарию. Там он работал вместе с ведущими физиками-теоретиками, а Нильса Бора с тех пор считал своим единственным учителем.

В 1932 году возглавил теоретический отдел Украинского физико-технического института в Харькове. В 1934 году получил степень доктора физико-математических наук еще до защиты диссертации. В 1937–1938 годах во время «Большого террора» первый директор института И.В. Обреимов, второй директор А. И. Лейпунский и многие сотрудники института были арестованы. Арестовываются иностранные специалисты А. Вайсберг, Ф. Хоутерманс, в августе – сентябре 1937 года арестованы и в ноябре расстреляны физики Л.В. Розенкевич (соавтор Ландау), Л.В. Шубников, В.С. Горский. К тому времени Ландау в феврале 1937 года принял приглашение Петра Капицы занять должность руководителя теоретического отдела только что построенного Института физических проблем (ИФП) и переехал в Москву.

В апреле 1938 года Ландау в Москве редактирует написанную М.А. Корецем листовку, призывающую к свержению сталинского режима, в которой Сталин называется фашистским диктатором. Текст листовки был передан антисталинской группе студентов ИФЛИ для распространения по почте перед первомайскими праздниками. Это намерение было раскрыто органами госбезопасности СССР, и Ландау, Кореца и Румера утром 28 апреля арестовали за антисоветскую агитацию. 3 мая 1938 года Ландау был исключен из списка сотрудников ИФП. В тюрьме Ландау провёл год и был выпущен благодаря письму в защиту от Нильса Бора и вмешательству Капицы, взявшего Ландау «на поруки». После освобождения, до самой смерти в 1968 году, Ландау был сотрудником ИФП. В 1955 году Ландау подписал «Письмо трёхсот» против «лысенковщины».

Академик Ландау считается легендарной фигурой в истории отечественной и мировой науки. Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, физика плазмы – вот далеко не полный перечень областей, в разное время привлекавших внимание Ландау. Про него говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».

В 1926 году опубликовал свою первую работу об интенсивности спектров двухатомных молекул. В 1927 году впервые ввёл понятие матрицы плотности. В 1930 году создал теорию электронного диамагнетизма металлов (Ландау диамагнетизм), где им рассчитаны дискретные уровни электронов в магнитном поле (уровни Ландау) и предсказаны периодические изменения восприимчивости в зависимости от поля в сильных полях (Де Хааза – ван Альфена эффект). В 1933 году впервые предложил теорию антиферромагнетизма. В 1935 году совместно с Лифшицем разработал теорию доменной структуры ферромагнетиков и ферромагнитного резонанса. В 1936 году была опубликована работа Ландау о кинетическом уравнении для электронной плазмы. В 1937 году построил общую теорию фазовых переходов второго рода. В том же году опубликовал теорию промежуточного состояния сверхпроводников и статистическую теорию ядер.

В 1938 году совместно с Ю.Б. Румером разработал каскадную теорию электронных ливней в космических лучах. В 1941 году создал теорию сверхтекучести жидкого гелия. В 1945 предложил теорию ударных волн на большом расстоянии от источника, а в 1946 году теорию колебаний электронной плазмы и, в частности, определил их затухание (затухание Ландау). В 1950 году совместно с В.Л. Гинзбургом построил полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости. В 1953 году опубликовал теорию множественного рождения частиц при столкновениях высокоэнергичных частиц. В 1954–1955 годах совместно с А.А. Абрикосовым, И.М. Халатниковым и И.Я. Померанчуком провёл исследования основ квантовой электродинамики, которые привели к доказательству её внутренней противоречивости при последовательном проведении концепции точечных зарядов. В 1956 году ввёл понятие комбинированной чётности. Построил теорию двухкомпонентного нейтрино (1957 год), а в 1956–1958 годах – теорию ферми-жидкости. В 1940–1965 годах опубликовал совместно с Е.М. Лифшицем фундаментальный курс теоретической физики.

В 1962 году Л.Д. Ландау стал лауреатом Нобелевской премии по физике «За пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия». Присуждена 1 ноября 1962 года. Медаль лауреата Нобелевской премии, диплом и чек вручены Ландау 10 декабря (впервые в истории Нобелевских премий награждение происходило в больнице).

Ландау был лауреатом медали имени Макса Планка (1960 год), премии Фрица Лондона (1960 год), Ленинской (1962 год) и трёх Сталинских премий (1946, 1949, 1953 годы), Герой Социалистического Труда (1954 год). Награждён орденом Ленина в 1962 году.

Он являлся иностранным членом Лондонского королевского общества (1960 год), Национальной академии наук США (1960 год), Датской королевской академии наук (1951 год), Королевской академии наук Нидерландов (1956 год), Американской академии искусств и наук (1960 год), Французского физического общества и Лондонского физического общества.

Ландау создал многочисленную школу физиков-теоре-тиков. К числу его учеников принадлежат Е.М. Лифшиц, А.А. Абрикосов, Л.П. Горьков, И.Е. Дзялошинский, И.М. Лифшиц, И.Я. Померанчук, И.М. Халатников, А.Ф. Андреев, А.И. Ахиезер, В.Б. Берестецкий, С.С. Герштейн, Б.Л. Иоффе, Ю.М. Каган, В.Г. Левич, Л.А. Максимов, А.Б. Мигдал, Л.П. Питаевский, Л.М. Пятигорский, Р.З. Сагдеев и др.

Учениками Ландау по преимуществу считались физики, которые смогли сдать Льву Давидовичу (а впоследствии уже его ученикам) 9 теоретических экзаменов, так называемый теоретический минимум Ландау. Сначала принималась математика, а затем экзамены по физике. Итак всего: два экзамена по математике, механика, теория поля, квантовая механика, статистическая физика, механика сплошных сред, электродинамика сплошных сред, квантовая электродинамика. Ландау требовал от своих учеников знания основ всех разделов теоретической физики.

После войны для подготовки к сдаче экзаменов лучше всего было использовать курс теоретической физики Ландау и Лифшица, однако первые ученики сдавали экзамены по лекциям Ландау или по рукописным конспектам. Совместно с Е.М. Лифшицем явился инициатором фундаментального классического Курса теоретической физики, выдержавшего многократные издания и изданного на 20 языках.

Именем Ландау назван Институт теоретической физики РАН.

Увлёкшись наукой, Ландау дал себе обет никогда «не курить, не пить и не жениться». Но он встретил выпускницу химического факультета Конкордию (Кору) Дробанцеву, которая разошлась со своим первым мужем. Она поклялась, что не будет ревновать его к другим женщинам, и с 1934 года они жили вместе в фактическом браке. Ландау считал, что более всего разрушают брак ложь и ревность, и поэтому они заключили «пакт о ненападении в супружеской жизни», который давал относительную свободу обоим супругам в романах на стороне. Официальный брак был между ними заключён 5 июля 1946 года, за несколько дней до рождения сына Игоря.

Формула счастья по Ландау: любовь, работа и общение с людьми.

7 января 1962 года по дороге из Москвы в Дубну Ландау попал в автокатастрофу. В результате серьёзных ранений он находился в течение 59 суток в коме. Физики всего мира принимали участие в спасении жизни Ландау. Было организовано круглосуточное дежурство в больнице. Недостающие медикаменты доставлялись самолётами из стран Европы и из США. В результате этих мер жизнь Ландау удалось спасти, несмотря на очень серьёзные ранения. После аварии Ландау практически перестал заниматься научной деятельностью.