В 1936 г. была опубликована работа Ландау о кинетическом уравнении для электронной плазмы.
В 1937 построил общую теорию фазовых переходов второго рода. В том же году опубликовал теорию промежуточного состояния сверхпроводников и статистическую теорию ядер.
В 1938 г. совместно с Ю. Б. Румером разработал каскадную теорию электронных ливней в космических лучах.
В 1941 г. создал теорию сверхтекучести жидкого гелия.
В 1945 г. предложил теорию ударных волн на большом расстоянии от источника, а в 1946 теорию колебаний электронной плазмы и, в частности, определил их затухание.
В 1950 г. совместно с В. Л. Гинзбургом построил полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости.
В 1953 г. опубликовал теорию множественного рождения частиц при столкновениях высокоэнергичных частиц.
В 1954–55 гг. совместно с А.А. Абрикосовым, И.М. Халатниковым и И.Я. Померанчуком провел исследования основ квантовой электродинамики, которые привели к доказательству ее внутренней противоречивости при последовательном проведении концепции точечных зарядов.
В 1956 г. ввел понятие комбинированной четности. Построил теорию двухкомпонентного нейтрино (1957 г.), а в 1956–58 гг. – теорию ферми-жидкости.
В 1940–65 гг. опубликовал совместно с Е.М. Лифшицем фундаментальный курс теоретической физики (Ленинская премия, 1962 г.).
Именем Ландау назван институт теоретической физики АН СССР.
Государственная премия СССР (1946, 1949, 1953 гг.), Нобелевская премия (1962 г.).
Член многих АН мира (США, Дании, Великобритании, Франции, Нидерландов). Награжден 5 орденами, а также медалями.