С 1926 по 1929 – аспирант Ленинградского физико-технического института. В 1929 находился на стажировке у Нильса Бора в Копенгагене, побывал в других научных центрах Европы.
В 1931 вернулся в Ленинград и работал научным сотрудником Физико-технического института, в 1933 возглавил теоретический отдел Украинского физико-технического института в Харькове и кафедру теоретической физики Харьковского университета. В 1937 стал заведующим теоретическим отделом созданного П.Л. Капицей Института физических проблем в Москве, с 1943 – профессор МГУ. С 1947 по 1950 Ландау был также профессором МФТИ. Действительный член АН СССР (с 1946), трижды лауреат государственной премии.
Как и большинство выдающихся физиков-теоретиков, Ландау отличался широтой научных интересов. Его первые работы были посвящены квантовой механике.
В 1937 Ландау 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 разработал теорию сверхтекучести жидкого гелия II, положившую начало физике квантовых жидкостей. 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 построил в 1950 теорию сверхпроводимости. Существенных результатов достиг в области гидродинамики, физической кинетики и физики плазмы.
Значительное место в наследии Ландау занимает написанный им совместно с Е.М. Лившицем Курс теоретической физики.
Умер Ландау в Москве 1 апреля 1968.
