В 1932 году Ландау возглавил теоретический отдел Харьковского физико-технического института (УФТИ). Продолжая активную исследовательскую работу, Ландау одновременно начал преподавать, а в 1935 стал заведующим кафедрой общей физики Харьковского университета. В 1934 году Ландау была присвоена ученая степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации.
Его первые работы были посвящены квантовой механике. В 1937 Ландау получил соотношение между плотностью уровней в ядре и энергией возбуждения, стал одним из создателей статистической теории ядра. В 1957 предложил «закон сохранения комбинированной четности» вместо обычного закона сохранения четности, нарушаемого при слабых взаимодействиях. Одно из центральных мест в исследованиях Ландау занимала термодинамика фазовых переходов II рода. Результатом их детального изучения стало создание теории фазовых переходов. В 1940–1941 Ландау создал теорию сверхтекучести жидкого гелия II, которая положила начало физике квантовых жидкостей. В своем анализе опирался на понятия фононов и ротонов (высокоэнергетических возбуждений, связанных с вращательным движением). Дальнейшим развитием физики квантовых жидкостей стало создание в 1956 теории бозе- и ферми-жидкостей. В духе идей теории фазовых переходов Ландау совместно с В.Л. Гинзбургом создал в 1950 г. теорию сверхпроводимости. Существенных результатов достиг в области гидродинамики, физической кинетики и физики плазмы. Про Ландау говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».
Указом Президиума Верховного Совета СССР (с грифом «Не подлежит опубликованию») от 4 января 1954 года за исключительные заслуги перед государством при выполнении специального задания Ландау Льву Давидовичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот». В 1962 году за исследования конденсированных сред, особенно жидкого гелия Лев Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике. Награжден тремя орденами Ленина (1949, 1954, 1962), орденом Трудового Красного Знамени (1945), орденом «Знак Почета» (1943), медалями. Лауреат Ленинской премии (1962), Сталинской (Государственной) премии (1946, 1949, 1953), Нобелевской премии (1962).
В честь Ландау назван астероид 2142, кратер на Луне, минерал ландауит, а также Институт теоретической физики в Черноголовке, в 1964 году основанный учеником Ландау И.М. Халатниковым.
Основные работы:
К теории спектров двухатомных молекул // Ztshr. Phys. 1926. Bd. 40. S. 621.
Проблема затухания в волновой механике // Ztshr. Phys. 1927. Bd. 45. S. 430.
Квантовая электродинамика в конфигурационном пространстве // Ztshr. Phys. 1930. Bd. 62. S. 188. (Совм. с Р.Пайерлсом.)
Диамагнетизм металлов // Ztshr. Phys. 1930. Bd. 64. S. 629.
Распространение принципа неопределенности на релятивистскую квантовую теорию // Ztshr. Phys. 1931. Bd. 69. S. 56. (Совм. с Р.Пайерлсом.)
К теории передачи энергии при столкновениях. I // Phys. Ztshr. Sow. 1932. Bd. 1. S. 88.
К теории передачи энергии при столкновениях. II // Phys. Ztshr. Sow. 1932. Bd. 2. S. 46.
К теории звезд // Phys. Ztshr. Sow. 1932. Bd. 1. S. 285.
О движении электронов в кристаллической решетке// Phys. Ztshr. Sow. 1933. Bd. 3. S. 664.
Второй закон термодинамики и Вселенная // Phys. Ztshr. Sow. 1933. Bd. 4. S. 114. (Совм. с А.Бронштейном.)
Возможное объяснение зависимости восприимчивости от поля при низких температурах // Phys. Ztshr. Sow. 1933. Bd. 4. S. 675.
Внутренняя температура звезд // Nature. 1933. V. 132. P. 567. (Совм. с Г.Гамовым.)
Структура несмещенной линии рассеяния // Phys. Ztshr. Sow. 1934. Bd. 5. S. 172. (Совм. с Г.Плаченом.)
К теории торможения быстрых электронов излучением // Phys. Ztshr. Sow. 1934. Bd. 5. S. 761; ЖЭТФ. 1935. Т. 5. С. 255.
Об образовании электронов и позитронов при столкновении двух частиц // Phys. Ztshr. Sow. 1934. Bd. 6. S. 244. (Совм. с Е. М. Лифшицем.)
К теории аномалий теплоемкости // Phys. Ztshr. Sow. 1935. Bd. 8. S. 113.
К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел // Phys. Ztshr. Sow. 1935. Bd. 8. S. 153. (Совм. с Е. М. Лифшицем.)
О релятивистских поправках к уравнению Шрёдингера в задаче многих тел // Phys. Ztshr. Sow. 1935. Bd. 8. S. 487.
К теории коэффициента аккомодации // Phys. Ztshr. Sow. 1935. Bd. 8. S. 489.
К теории фотоэлектродвижущей силы в полупроводниках // Phys. Ztshr. Sow. 1936. Bd. 9. S. 477. (Совм. с Е. М. Лифшицем.)
К теории дисперсии звука // Phys. Ztshr. SOW. 1936. Bd. 10. S. 34. (Совм. с Э.Теллером.)
К теории мономолекулярных реакций // Phys. Ztshr. Sow. 1936. Bd. 10. S. 67.
Кинетическое уравнение в случае кулоновского взаимодействия // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 203; Phys. Ztshr. Sow. 1936. Bd. 10. S. 154.
О свойствах металлов при очень низких температурах // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 379; Phys. Ztshr. Sow. 1936. Bd. 10. S. 649. (Совм. с И. Я. Померанчуком.)
Рассеяние света на свете // Nature. 1936. V. 138. Р. 206. (Совм. с А. И. Ахиезером и И. Я. Померанчуком.)
Об источниках звездной энергии // ДАН СССР. 1937. Т. 17. С. 301; Nature. 1938. V. 141. Р. 333.
О поглощении звука в твердых телах // Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 11. S. 18. (Совм. с Ю. Б. Румером.)
К теории фазовых переходов. I // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 19; Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 7. S. 19.
К теории фазовых переходов. II // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 627; Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 11. S. 545.
К теории сверхпроводимости // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 371; Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 7. S. 371.
К статистической теории ядер // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 819; Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 11. S. 556.
Рассеяние рентгеновых лучей кристаллами вблизи точки Кюри // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 1232; Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 12. S. 123.
Рассеяние рентгеновых лучей кристаллами с переменной структурой // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 1227; Phys. Ztshr. Sow. 1937. Bd. 12. S. 579.
Образование ливней тяжелыми частицами // Nature. 1937. V. 140. P. 682. (Совм. с Ю. Б. Румером.)
Стабильность неона и углерода по отношению к а-распаду // Phys. Rev. 1937. V. 52. P. 1251.
Каскадная теория электронных ливней // Ргос. Roy. Soc. 1938. V. А166. P. 213. (Совм. с Ю. Б. Румером.)
Об эффекте де Гааза — ван Альфена // Ргос. Roy. Soc. 1939. V. А170. P. 363. Приложение к статье Д. Шен-Шенберга.
О поляризации электронов при рассеянии // ДАН СССР. 1940. Т. 26. С. 436; Phys. Rev. 1940. V. 57. P. 548.
О «радиусе» элементарных частиц // ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 718; J. Phys. USSR. 1940. V. 2. P. 485.
О рассеянии мезотронов «ядерными силами» // ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 721; J. Phys. USSR. 1940. V. 2. P. 483.
Угловое распределение частиц в ливнях// ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 1007; J. Phys. USSR. 1940. V. 3. P. 237.
Теория сверхтекучести гелия-II// ЖЭТФ. 1941. Т. 11. С. 592
К теории вторичных ливней// ЖЭТФ. 1941. Т. 11. С. 32; J. Phys. USSR. 1941. V. 4. P. 375.
К гидродинамике гелия-II// ЖЭТФ. 1944. Т. 14. С. 112
Теория вязкости гелия-II// ЖЭТФ. 1949. Т. 19. С. 637
Что такое теория относительности. // Издательство «Советская Россия», Москва 1975 3-е издание дополненное (Совместно с Ю. Б. Румером)
Физика для всех // М. Мир. 1979. (Совм. с А. И. Китайгородским.)