Создал теорию колебаний электронной плазмы
Ввел понятие «матрицы плотности», применяемое в квантовой механике и статистической физике
Построил теорию фазовых переходов 2-го рода (переходах, при которых состояние тела меняется непрерывно, а симметрия — скачкообразно; при фазовых переходах 2-го рода не меняется плотность тела и не происходит выделения или поглощения теплоты)
Построил теорию промежуточного состояния сверхпроводников: вывел формулу расчета толщины чередующихся сверхпроводящих и нормальных слоев в промежуточном состоянии сверхпроводника, помещенного в электромагнитное поле
Получил соотношение между плотностью уровней в ядре и энергией возбуждения и стал одним из создателей статистической теории ядра
освободившись из мест заключения, ландау посвящает себя научной работе
Он изучал низкие температуры, в том числе такие явления, как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Принимал самое активное участие в разработке советского атомного проекта, занимался изучением атомного ядра и различными видами радиоактивного излучения. Пристальное внимание уделял космосу, плазме и химическим реакциям, в соответствии с физикой элементарных частиц.
Создал теорию сверхтекучести жидкого гелия-II. Из теории Ландау вырос новый раздел науки — физика квантовых жидкостей, а Ландау в 1962 году получил Нобелевскую премию
Совместно с Л.М. Пятигорским и Е.М. Лифшицем создал классический цикл учебников «Курс теоретической физики»
Создал квантовую теорию диамагнетизма электронов (диамагнетизма Ландау)
Совместно с В.Л. Гинзбургом создал полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости
Работал над широко применяющейся ныне теорией Ферми-жидкости — квантовомеханической жидкости, состоящей из фермионов в определенных физических условиях
Предложил принцип комбинированной четности: все физические системы будут эквивалентными, если при замене «правой» системы координат на «левую» все частицы заменить античастицами