В 1932 году возглавил теоретический отдел Украинского физико-технического института в Харькове. В 1934 году получил степень доктора физико-математических наук еще до защиты диссертации. В 1937–1938 годах во время «Большого террора» первый директор института И.В. Обреимов, второй директор А. И. Лейпунский и многие сотрудники института были арестованы. Арестовываются иностранные специалисты А. Вайсберг, Ф. Хоутерманс, в августе – сентябре 1937 года арестованы и в ноябре расстреляны физики Л.В. Розенкевич (соавтор Ландау), Л.В. Шубников, В.С. Горский. К тому времени Ландау в феврале 1937 года принял приглашение Петра Капицы занять должность руководителя теоретического отдела только что построенного Института физических проблем (ИФП) и переехал в Москву.
В апреле 1938 года Ландау в Москве редактирует написанную М.А. Корецем листовку, призывающую к свержению сталинского режима, в которой Сталин называется фашистским диктатором. Текст листовки был передан антисталинской группе студентов ИФЛИ для распространения по почте перед первомайскими праздниками. Это намерение было раскрыто органами госбезопасности СССР, и Ландау, Кореца и Румера утром 28 апреля арестовали за антисоветскую агитацию. 3 мая 1938 года Ландау был исключен из списка сотрудников ИФП. В тюрьме Ландау провёл год и был выпущен благодаря письму в защиту от Нильса Бора и вмешательству Капицы, взявшего Ландау «на поруки». После освобождения, до самой смерти в 1968 году, Ландау был сотрудником ИФП. В 1955 году Ландау подписал «Письмо трёхсот» против «лысенковщины».
Академик Ландау считается легендарной фигурой в истории отечественной и мировой науки. Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, физика плазмы – вот далеко не полный перечень областей, в разное время привлекавших внимание Ландау. Про него говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».
В 1926 году опубликовал свою первую работу об интенсивности спектров двухатомных молекул. В 1927 году впервые ввёл понятие матрицы плотности. В 1930 году создал теорию электронного диамагнетизма металлов (Ландау диамагнетизм), где им рассчитаны дискретные уровни электронов в магнитном поле (уровни Ландау) и предсказаны периодические изменения восприимчивости в зависимости от поля в сильных полях (Де Хааза – ван Альфена эффект). В 1933 году впервые предложил теорию антиферромагнетизма. В 1935 году совместно с Лифшицем разработал теорию доменной структуры ферромагнетиков и ферромагнитного резонанса. В 1936 году была опубликована работа Ландау о кинетическом уравнении для электронной плазмы. В 1937 году построил общую теорию фазовых переходов второго рода. В том же году опубликовал теорию промежуточного состояния сверхпроводников и статистическую теорию ядер.
В 1938 году совместно с Ю.Б. Румером разработал каскадную теорию электронных ливней в космических лучах. В 1941 году создал теорию сверхтекучести жидкого гелия. В 1945 предложил теорию ударных волн на большом расстоянии от источника, а в 1946 году теорию колебаний электронной плазмы и, в частности, определил их затухание (затухание Ландау). В 1950 году совместно с В.Л. Гинзбургом построил полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости. В 1953 году опубликовал теорию множественного рождения частиц при столкновениях высокоэнергичных частиц. В 1954–1955 годах совместно с А.А. Абрикосовым, И.М. Халатниковым и И.Я. Померанчуком провёл исследования основ квантовой электродинамики, которые привели к доказательству её внутренней противоречивости при последовательном проведении концепции точечных зарядов. В 1956 году ввёл понятие комбинированной чётности. Построил теорию двухкомпонентного нейтрино (1957 год), а в 1956–1958 годах – теорию ферми-жидкости. В 1940–1965 годах опубликовал совместно с Е.М. Лифшицем фундаментальный курс теоретической физики.
В 1962 году Л.Д. Ландау стал лауреатом Нобелевской премии по физике «За пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия». Присуждена 1 ноября 1962 года. Медаль лауреата Нобелевской премии, диплом и чек вручены Ландау 10 декабря (впервые в истории Нобелевских премий награждение происходило в больнице).
Ландау был лауреатом медали имени Макса Планка (1960 год), премии Фрица Лондона (1960 год), Ленинской (1962 год) и трёх Сталинских премий (1946, 1949, 1953 годы), Герой Социалистического Труда (1954 год). Награждён орденом Ленина в 1962 году.
Он являлся иностранным членом Лондонского королевского общества (1960 год), Национальной академии наук США (1960 год), Датской королевской академии наук (1951 год), Королевской академии наук Нидерландов (1956 год), Американской академии искусств и наук (1960 год), Французского физического общества и Лондонского физического общества.