Лев входил в компанию молодых физиков-теоретиков, где тон задавали кроме него Гамов и Иваненко, потом к ним присоединился Бронштейн. Они себя называли «джаз-бандой». Вот тогда-то Ландау и стал «Дау». Так звали его все сколько-нибудь близкие ему люди, в том числе и его ученики.
С 1929 по 1931 год Ландау находился в научной командировке в Германии, Швейцарии, Англии, Нидерландах и Дании. Там он встречался с основоположниками новой тогда квантовой механики, в том числе с Гейзенбергом и Паули. Большую часть срока Ландау провел в Копенгагене у Нильса Бора. С тех лет навсегда, до конца жизни, сохранилась его дружба с Бором и любовь к Бору.
Находясь за границей, Ландау провел важные исследования магнитных свойств свободных электронов и совместно с Р.Ф. Пайерлсом — по релятивистской квантовой механике. Эти работы выдвинули его в число ведущих физиков-теоретиков. Он научился обращаться со сложными теоретическими системами, и это умение пригодилось ему впоследствии, когда он приступил к исследованиям по физике низких температур.
В 1931 году Ландау возвратился в Ленинград, но вскоре переехал в Харьков, бывший тогда столицей Украины. Там Ландау стал руководителем теоретического отдела Украинского физико-технического института. Одновременно он заведовал кафедрами теоретической физики в Харьковском инженерно-механическом институте и в Харьковском университете. Академия наук СССР присудила ему в 1934 году ученую степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации, а в следующем году он получил звание профессора. В Харькове Ландау опубликовал работы на такие различные темы, как происхождение энергии звезд, дисперсия звука, передача энергии при столкновениях, рассеяние света, магнитные свойства материалов, сверхпроводимость, фазовые переходы веществ из одной формы в другую и движение потоков электрически заряженных частиц. Это создало ему репутацию необычайно разностороннего теоретика.
Необычайно широкий диапазон его исследований, охватывающих почти все области теоретической физики, привлек в Харьков многих высокоодаренных студентов и молодых ученых, в том числе Евгения Лифшица, ставшего не только ближайшим сотрудником Ландау, но и его другом. Выросшая вокруг Ландау школа превратила Харьков в ведущий центр советской теоретической физики.
В помощь своим ученикам Ландау в 1935 году создал исчерпывающий курс теоретической физики, опубликованный им и Лифшицем в виде серии учебников, содержание которых авторы пересматривали и обновляли в течение последующих двадцати лет. Эти учебники, переведенные на многие языки, во всем мире заслуженно считаются классическими.
Но жил Ландау и его товарищи не одной работой. В свободное время они играли в теннис, сочиняли песенки, ставили спектакли, устраивали костюмированные вечера, вообще всячески веселились. Ландау познакомился с Конкордией Дробанцевой, абсолютная красота которой покорила его с первого взгляда, и он влюбился в нее. В 1937 году, спустя несколько лет, Кора Дробанцева, инженер-технолог кондитерской фабрики, переехала в Москву и стала женой Ландау. В 1946 году у них родился сын Игорь, работавший впоследствии физиком-экспериментатором в том же Институте физических проблем, в котором так много сделал его отец.
В 1937 году Ландау по приглашению Капицы возглавил отдел теоретической физики во вновь созданном Институте физических проблем в Москве. Но на следующий год Ландау был арестован по ложному обвинению в шпионаже в пользу Германии.
Ученый вспоминал: «По нелепому доносу я был арестован. Меня обвиняли в том, что я немецкий шпион. Год я провел в тюрьме, и было ясно, что даже еще на полгода меня не хватит: я просто умирал. Капица поехал в Кремль и заявил, что он требует моего освобождения, а в противном случае будет вынужден оставить институт. Меня освободили. Вряд ли надо говорить, что для подобного поступка в те годы требовались немалое мужество, большая человечность и кристальная честность».
Как пишет М.И. Каганов: «Внешняя сторона жизни Ландау после ареста вполне благополучна, если исключить то, что Ландау был "невыездным": его лишили возможности свободного общения с иностранными коллегами, он не участвовал в международных конференциях, если они проходили не на территории СССР. Как стало известно в последние годы, на протяжении многих лет за Ландау велось негласное наблюдение (в частности, его разговоры с сотрудниками и друзьями прослушивались)».
Одной из наиболее замечательных работ Ландау является созданная им в 1941 году теория сверхтекучести гелия-2. Явление сверхтекучести гелия было открыто в 1937 году Капицей, который обнаружил, что ниже 2,18°K жидкий гелий переходит в новую модификацию, названную гелием-2, и обладает рядом удивительных особенностей.
Как писал академик А.А. Абрикосов: «Теория Л.Д. Ландау сразу дала полную картину всех известных к тому времени свойств гелия-2 и предсказала ряд совершенно новых явлений. В основе этой теории лежит представление о возбужденном состоянии квантовой системы как совокупности квазичастиц с определенным энергетическим спектром. Сперва Ландау предполагал, что спектр состоит из двух ветвей: "фононов" — с линейной зависимостью энергии от импульса и "ротонов" — с квадратичной зависимостью. При этом считалось, что фотонный спектр отделен от основного состояния энергетической щелью. Впоследствии (1947) Ландау пришел к выводу, что в действительности имеется лишь одна ветвь энергетического спектра.
С помощью энергетического спектра была найдена температурная зависимость теплоемкости гелия-2, которая оказалась в прекрасном согласии с экспериментом. Ландау показал далее, как из свойств спектра следует сверхтекучесть. Оказалось, что при скоростях, меньших некоторой критической, гелий свободно протекает по капилляру и появление в нем новых возбуждений энергетически невыгодно.
Изучая движение гелия при температурах выше 0°K, Ландау пришел к выводу, что гелий совершает два движения: нормальное и сверхтекучее, с каждым из которых связана своя эффективная масса. Ландау нашел основные уравнения гидродинамики такой жидкости и пришел к выводу, что в ряде задач гелий-2 эквивалентен смеси двух жидкостей: нормальной (вязкой) и сверхтекучей (идеальной), движущихся с различными скоростями, но без взаимного трения. Была вычислена эффективная плотность нормальной жидкости как функция температуры.
Наличие двух типов движения гелия-2 позволило объяснить большую теплопередачу. Основным механизмом теплопередачи в гелии-2 являются конвективные потоки нормальной и сверхтекучей жидкостей. Получил объяснение и термомеханический эффект. Он является следствием осмотического давления раствора нормальной жидкости в сверхтекучей, причем капилляр играет роль полупроницаемой перегородки.
Изучая распространение звука в гелии-2, Ландау пришел к выводу о существовании в гелии, помимо обычного звука, колебаний другого типа, названных им вторым звуком. Исследование показало, что в противоположность обычному звуку, который представляет собой в основном колебания давления, во втором звуке основными являются колебания температуры. В обычном звуке нормальная и сверхтекучая жидкости движутся как целое. Во втором звуке они движутся в противофазе, причем так, что полный поток вещества равен нулю. Скорость второго звука меньше, чем скорость первого, и обращается в нуль в точке перехода. В работе Ландау была найдена температурная зависимость этой скорости, которая впоследствии стала средством определения параметров спектра возбуждений в гелии-2».
Летом 1941 года институт эвакуировался в Казань. Там, как и остальные сотрудники, Ландау отдавал силы, прежде всего, оборонным заданиям.
По возвращении в Москву Ландау с 1943 по 1947 год преподавал на кафедре физики низких температур МГУ, а с 1947 по 1950 год — на кафедре общей физики МФТИ. В связи с работой над книгой «Механика сплошных сред», изданной в 1944 году, он в этот период интенсивно занимался проблемами гидродинамики, в частности, разрывами и турбулентностью. В 1946 году Лев Давидович создал теорию колебаний электронной плазмы.
Ландау был привлечен к участию в разработке атомного оружия, но после смерти Сталина он отказался от работ по секретной тематике.
Из многочисленных научных работ 1949–1953 годов ученого следует отметить работы по различным вопросам электродинамики, новую феноменологическую теорию сверхпроводимости и, наконец, очень важную для физики космических лучей теорию множественного рождения частиц при столкновениях быстрых частиц. В 1954 году Лев Давидович занимался изучением принципиальных вопросов квантовой теории поля. В итоге этой работы он совместно с И.Я. Померанчуком в 1955 году получил очень существенный результат о принципиальной несостоятельности квантовой теории поля в вопросе о природе элементарных взаимодействий.
В 1955 году Ландау вернулся в МГУ, где в качестве профессора кафедры теоретической физики читал различные курсы теоретической физики.
В 1956–1958 годах Лев Давидович создал общую теорию так называемой Ферми-жидкости, к которой относятся жидкий гелий-3 и электроны в металлах. В 1959 году на Международной конференции по физике высоких энергий в Киеве он выдвинул новые принципы построения теории элементарных частиц.
Интенсивность напряженной и плодотворной работы Ландау нисколько не ослабевала до самого рокового дня 7 января 1962 года. В этот день в 10 часов 30 минут на шоссе из Москвы в Дубну легковая машина, в которой ехал Лев Давидович, столкнулась со встречным грузовиком. Ученый получил множественные тяжелейшие травмы. В течение шести недель он оставался без сознания и почти три месяца не узнавал даже своих близких.
В сентябре Ландау перевели в больницу Академии наук. Здесь академика застало известие о присуждению ему двух больших наград: Ленинской премия за цикл книг по теоретической физике и Нобелевской премия по физике за 1962 год. 1 ноября Лев Давидович получил телеграмму: «Москва, Академия наук, профессору Льву Ландау. 1 ноября 1962 года. Королевская академия наук Швеции сегодня решила присудить Вам Нобелевскую премию по физике за пионерские работы в области теории конденсированных сред, особенности жидкого гелия. Подробности письмом. Эрик Рудберг, постоянный секретарь».