杨振宁和李政道获得奖学金，来到美国芝加哥大学深造。李政道在费米门下读博士，他的博士论文写的是白矮星；杨振宁则在特勒的指导下专攻核物理学。杨李携手合作始于芝加哥，两人共同发表了 32 篇物理学论文。1951-1953 年，两人又在高等研究院会合。之后， 李政道去了纽约哥伦比亚大学任教，杨振宁则继续留在普林斯顿。两校相距不过50 英里，所以两人约定每周见一次面，讨论物理学难题。
1956 年，杨振宁和李政道在《物理评论》上发表了论文《在弱相互作用之下宇称守恒的问题》。
他们因此在 1957 年共同荣获诺贝尔物理学奖。
中国物理学家李政道（左）、杨振宁（中）接受诺贝尔物理学奖
获奖时，杨振宁已经在高等研究院担任教授两年， 而李政道还是一个访问学者。后来，李政道也晋升为教授。有一段时间，大家常看见这对诺贝尔奖得主在一起，不由得心生欢喜。院长奥本海默常说，他看见杨振宁和李政道在院里散步就觉得很骄傲；高等研究院总算是有了科研合作成功的例子。
高等研究院的团队合作一向很差，名声在外。主要是因为大牌巨星多，个性鲜明，多少都有些恃才傲物；他们的思维往往以自我为中心 ，而 且本人对此并无觉察。在杨振宁 60 岁生日临之际，几个朋友打算收集一些赞颂他对物理学贡献的原创文章，编成一本专集以示纪念。他们把这个想法告诉了杨振宁。杨振宁回忆说：“我想了想，觉得还是选一些我发表过的论文，附上别人的评论辑成一集，这样可能更有趣一些。”
就这样，一本名为《杨振宁论文选集附评论(1945-1980）》的书于1983 年由弗里曼出版社出版。杨振宁在该书里讲述了他和李政道携手攻关的著名事迹。当时在哥伦比亚大学执教的李政道读罢杨振宁的叙述，脸都气白了：跟他记得的情况差太多了！很快，李政道按照自己的记忆又把合作过程写了一遍；先送给朋友们传阅，之后收进《李政道论文选集》第三卷，1986 年由比克霍伊泽出版社出版。
杨振宁（右）与李政道
看看杨振宁如何评说他和李政道在芝加哥大学时的关系吧。杨振宁说：“我比他年长，又比他早几年进芝加哥大学，所以时时处处都想办法帮助他。他后来虽然投到费米门下写论文，但还经常向我请教，让我给他指点， 所以他在芝加哥那几年，我算得上是他的物理老师了……我就像他的兄长……尽我的能力提携他，帮他成就事业……”如此云云。
1952 年，他们两位还是高等研究院的临时研究员。他们合写了一篇长文，分为上、下两部分，讨论关于气相与液相间的转变。这时，两人的自我苗头已开始显现， 因为标题页上谁的名字排第一突然间变成了最要紧的问题。据李政道说，杨振宁想排成“杨振宁、李政道”。因为李比杨小四岁，所以李政道最初依从了这个提议。后来他查阅了别人合写的物理论文，发现排名顺序不一定要按年龄长幼。所以他提出排为“李政道、杨振宁”。
幸好这篇论文分为两部分，最后两人商定，第一部分的排名为“杨振宁、李政道”，第二部分的排名为“李政道、杨振宁”，一并发表在同一期的《物理评论》上。
杨、李合作停了一段时间，一直到1956 年他们再度联手，将“宇称不守恒”的发现书写成文。杨振宁自述， 论文是他自己写的：“我把手稿拿给李政道看，他做了一些小的改动，然后我按照姓氏的字母顺序签上我们两人的名字。我想过把我的名字签在第一位，但随即决定不这么做，一是因为我本人不喜欢排名，二是我也想在事业上助李政道一臂之力。”而李政道则说：“我记得那篇文章是合写的；就像以往的合作一样，我们一直为遣词造句，为表达意念的细微差异争论。论文花了一些时间， 多次修改，有几个版本。”
这种自我意识到了瑞典皇家科学院再度成为麻烦。李政道说：“1957 年我在普林斯顿得知获得诺贝尔物理学奖。我和杨振宁在讨论演讲讲稿内容等事项时，杨振宁问我，在颁奖典礼上可不可以按年龄长幼顺序上台领奖。我没想到他问这个问题，不过我默认了。”
5 年之后，也就是 1962年，杨振宁和李政道都已是高等研究院的正教授。《纽约客》要刊登一篇杨、李两人的简要事迹。定稿之前，杂志社给两人各寄了一份校样； 他们收到后各自做了校正。李政道回忆说，杨振宁希望在文章的三个地方，将自己的名字排在前面，一处是标题，一处是诺贝尔奖发布的消息文本，还有一处是描写颁奖仪式那段。
李政道
这年春天，李政道辞去高等研究院的职务，去纽约的哥伦比亚大学任教。
1966 年，杨振宁也离开了高等研究院，去纽约州立大学石溪分校任教。
20 年后，即1986 年11月，哥伦比亚大学为李政道举行盛大聚会，庆祝他60 岁生日。杨振宁没有到场。
