当然，柯比诺教授也利用自己手中的权力，尽可能地创造有利条件帮助费米先生。柯比诺对费米的发展制订了详细的计划。这第一步计划就是让费米到德国和荷兰去进修，然后就让他在罗马大学取得理论物理学教授的职位。名师出高徒。费米在取得理论物理学教授职位后不久，果然不出柯比诺教授所料，很快就使罗马成为当时举世瞩目的原子物理的研究中心之一。在费米先生身边，聚集了一批来自多国的优秀学生。虽然他们当时的研究条件比较差，但一群追求科学的青年人干劲十足而又充满极大的研究热情。在这些青年人的帮助下，费米建立了“β射线分裂”的理论，发现了铀射线中的“元素人工变换”等一系列物理前沿的成果，从而构成了意大利现代物理学派，并由此吸引了大批的意大利国内外的大学生和研究生。费米的事业如日中天，也引起了当时正在日益扩大的法西斯党徒的注意。为了利用费米，法西斯主义者也极力吹捧和支持费米。但费米不为所动，他认为法西斯主义者的行径与他献身科学的目的是完全相违背的，费米热爱自己的祖国，衷心地希望意大利繁荣辉煌，但是这种繁荣和辉煌决不能建立在战争尤其是侵略战争的基础上。
1936年，费米获得诺贝尔物理学奖，他一家人为了领取诺贝尔奖，闯过重重关卡，才获得准许去瑞典。费米在领取诺贝尔奖后，采取周密的措施，逃过多少次围追堵截，带领全家终于横渡大西洋，逃到美国。
从此以后，费米先生再也没有回过意大利。费米是世界闻名的物理学家，他到美国后受到热烈欢迎和重视。美国人十分清楚费米先生的巨大才能和对美国的重要意义。美国政府不仅让费米过着非常舒适的生活，为了发挥他的才能，还把曼哈顿计划，即实现原子弹计划交给费米来主持、管理，费米是曼哈顿计划的最高负责人。费米不负美国政府的重托，在他的主持下，美国率先试验成功了原子弹，并把第二颗、第三颗原子弹成功地投放日本的广岛和长崎，从而对第二次世界大战的胜利结束起了很大的促进作用。
李政道投师费米，结识了集中在费米先生周围的一大批人才，这也使得李政道的学业进步更快。初到芝加哥大学的李政道对美国的教学还不适应。但随着时间的推移，他发现美国教育和中国教育有很大不同，他感到美国的教学内容和教学方法与中国的教学内容和教学方法相比有很多优点和长处。中国的教学方法一般是推演的方法，授课形式也是老师讲、学生听和记笔记，课后做习题。而在美国，学生和教授之间的教与学常常是在互相讨论、辩论之中进行的，有时争论还相当激烈，甚至有恶作剧和出言不逊，但教授从不计较，这种行为从不影响师生之间的友好关系和感情交流。这样的教学方法，李政道认为很适合青年人，它不仅使学生能力提高得快，而且使学生感到很轻松。他认为中国教学应该学习美国的这种重视提高实际能力的教学方法。费米做人坦荡、正直、谦虚、热情，竭诚奉献，这给李政道以非常深刻的印象。初到美国的李政道由于英语口语不好，面对教授总有点敬畏和心理压力。但费米先生从不居高临下，总是热情、耐心而循循善诱地开导李政道。费米经常对李政道讲，教授也是教师，教授并不意味着就是优秀教师，教授通常是在某一个学术领域里知识比较渊博，有些专长罢了。
你们对教授所讲的话不一定要都相信，你们可以提出自己的见解，哪怕是很幼稚的想法也是好的；不要怕问错，错了就改，谁不犯错误呢？可怕的是连问题都提不出来，这第一步就没法迈出去；能提出问题的学生才算在进行思考的好学生。费米办事认真而细致，从不应付了事，无论是讲课还是辅导，总是始终如一地认真和负责，并且不厌其烦、深入浅出。费米先生常常以通俗易懂的实例讲解，要求学生一定要明白：科学大厦要一块砖一块砖地垒，一层楼一层楼地往上建筑，基础不好，万事皆休。费米教授非常喜欢和青年人在一起讨论问题。除了正式和非正式的课程以外，费米教授还将他的午餐时间几乎全部献给了这些研究生。费米教授经常和学生在一起海阔天空地谈话，涉及面之宽，可以说无所不包。有一天，费米先生给学生讲了一个很有趣的故事，李政道听得很认真，生怕丢掉一个字。费米先生讲的是关于爱因斯坦的动人故事：“爱因斯坦住宅附近有个10来岁的小孩，这个小孩既调皮又聪明，问题总是很多，他经常去向爱因斯坦请教数学问题。爱因斯坦生来就喜欢孩子，不仅给这位小孩讲解数学问题，而且与这位孩子无话不聊。时间长了，孩子的母亲知道了。
孩子的母亲很不好意思。她很担心孩子的这种行为影响了这位伟大的科学家的工作，因而便亲自登门向爱因斯坦真诚地道歉。可是爱因斯坦却真诚地对孩子的母亲说：不要向我道歉，和这位孩子在一起，不仅没有影响我的工作，而且我从他身上学到的东西，要比他从我这里学到的东西还多。我应该感谢你才对！”
费米教授不仅仅是在讲故事，更重要的是在阐述真理。费米认为，爱因斯坦的话并不是或不全是谦虚之词。幼稚、无知的孩子，由于他们没有成见的束缚，没有怕人耻笑的后顾之忧，所以常能从新的角度，提出一些根本性的问题。听了费米先生所讲的故事及评论，李政道深受感动。他清楚地知道，这是费米先生对年轻人的鼓励和期望。人们可能都知道皇帝的新装这则故事，由于大人们都有很多顾虑，因而都说违心话，而小孩却说出了事实的本质：“皇帝什么也没穿！”
费米教授还经常要求学生对他的学术观点质疑，以便经过讨论修正他的学术观点。
李政道从费米先生的一言一行中不仅学到了许多物理思想、知识和科学方法，而且深深体会到费米先生的那种伟大的科学家的宽阔胸怀和高尚品质。费米先生还经常要求学生自己动手去做自己想做的实验，并从中提出问题。费米先生总是告诉学生，能提出一个好问题，实际上相当于完成了一个课题。费米先生的教导，使李政道受益匪浅。
李政道逐渐明白了教与学的关系，认为“学问”二字就是要学要问，学就是对传统学说的继承和肯定，问就是对传统学说的质疑和否定。
李政道认为，自古以来，学问就是在肯定正确的与否定不正确的过程中发展起来的。
李政道很赞赏中国两千多年前伟大诗人屈原所写的《天问》。在《天问》中作者一口气提出了一系列的问题，涉及面很广。而这些问题都成了后来的科学家、哲学家们思考和研究的课题。
3．初露奇才，博士论文名列第一
费米先生名不虚传，教育引导学生有自己独特的一套方法，这一套方法不仅深受学生的欢迎，而且对学生的教育引导行之有效。
李政道通过学习和与费米先生长期相处，深刻地了解到：长期以来，费米先生在物理学的各个不同领域——从纯理论物理到纯实验物理，从三体问题的最佳坐标到深奥的广义相对论，都有着广泛的兴趣。作为一名物理大师，费米先生不仅涉猎了各个领域，而且始终做着详尽的笔记，多少年如一日坚持不懈。由于兴趣广泛，深入钻研，持之以恒，根基扎实，所以费米先生触类旁通，创造性思想的火花经常迸发出来。费米首创用慢中子做实验，首次成功领导实验核裂变链式反应，在原子弹爆炸时站起来用碎纸片受冲击波抛撒的距离测量爆炸量。
李政道领悟到，物理就像万丈高楼要从平地起一样，要想有所创造和发现，就应该爱好广泛，博大精深；要想善于高度概括和综合，就必须重视基础，尊重事实，从最简单处做起。时间过得真快。在不知不觉间，一年的学习生活很快就过去了。
李政道经过努力，不仅适应了当地的气候和水土，英语口语水平也提高了很多，特别是自信心大大增强。经过一年的生活，他发现，美国和中国，不仅在文化价值观念上差异较大，就是在饮食方面，差异也不小。美国人大都喜欢吃冷食，早餐很简单，一杯橘子汁或咖啡，几片咸肉和鸡蛋薄煎饼。午餐则是油菜、卷心菜、色拉和烘蚕豆，有时吃些夹香肠的小果子面包、浓牛奶和冰淇淋的混合饮料。当然，晚餐一般来讲比较丰盛，有烤牛排、酸奶脂、拌细葱的马铃薯、生蔬菜、色拉、冰淇淋等。
李政道的几年研究生生活是收获颇丰的。在费米的严格要求下，他打下了很好的基础。费米先生对研究生的要求是：不要急于定下是搞理论还是搞实验，即使做论文分了专业，也不要以论文来定终身；写论文做些什么工作，并不是说一生就只能做这个工作了。
1948年，李政道和杨振宁、罗森布鲁斯三人合写的论文出版。这是一篇关于粒子物理方面的文章，论证了一个弱相互作用的区域的存在。这是李政道最初涉及弱相互作用这一研究领域。
李政道还随费米先生做了天体物理方面的研究工作，以后又搞了流体力学、统计力学、粒子物理、场论等。
李政道这种学习和研究方法深得费米先生的赞同——即研究人员应该充分拓宽自己的视野，涉猎最广泛的区域，只有这样才能左右逢源，触类旁通。
李政道不仅对物理理论学习很努力，而且对物理实验也不放松。他从小喜欢读书，这是一个好习惯。当他读书读累了，就放下书去做实验；实验做累了的时候，又去读书。
1948年，李政道经过严格的考试，取得了准备博士论文的资格。在费米教授的指导和关怀下，李政道选写了题目是《白矮星的含氢量》博士论文。
1950年，李政道顺利地通过了论文答辩，获得芝加哥大学博士学位，当时他只有24岁。
李政道的博士论文《白矮星的含氢量》得到专家一致的高度评价，初露李政道在物理方面的才能。专家对这篇论文的评价是：“有特殊见解和成就的高水平的论文。”
李政道的论文被列为当年博士论文第一名，获得奖金1000美元。芝加哥大学校长在授予李政道博士学位证书时说：“这位青年学者的成就，证明人类高度智慧的阶层中，东方人和西方人具有完全相同的创造能力。”
听了校长这番话，李政道十分激动。他深深地意识到，芝加哥大学校长的这番话不仅仅是对李政道本人讲的，而且是针对整个中华民族而言的。手捧博士证书的李政道，除了激动之外，他也想起了华盛顿街头的徘徊、苦恼和失望，想起了街头的小树和蛛网。他也想起了吴大猷先生，他以自己的聪明才智和刻苦努力报答了吴大猷先生的关爱和帮助。此刻他也想起了远在祖国的父母和兄弟，他多么想让亲人和他一起分享此时的快乐啊！激动之后，李政道也清醒地认识到，博士帽戴在头上，只是万里征程的第一步，以后的路更长，任务更艰巨。手捧博士证书，面向未来，李政道充满了自信和力量，不管前面的路有多长，困难有多大，他都能克服。
李政道迈着坚实的步伐走下了领奖台。
4．灵犀一点，字谜游戏使李、杨走向合作
杨振宁和李政道都住在大学的国际学生宿舍中，他们俩朝夕相处在一起。在这段时间内，杨振宁和李政道一起认真地研究物理学，李政道从杨振宁那里学到了很多物理知识，杨振宁在这个领域里的研究要比他早三四年。在芝加哥大学，研究生大都希望依靠自己或通过相互讨论来学习增长学识，因为仅学习学校的课程是远远不够的。杨振宁在1948年取得博士学位，这时，李政道才取得了进行博士论文写作的资格。杨振宁拿到博士学位证书后，到普林斯顿高等学术研究所工作，此后成绩非常突出。
1966年任纽约州立大学石溪分校教授；1986年至今兼任香港中文大学客座教授。他与李政道教授在1957年一起获得诺贝尔物理奖之后，1986年获美国国家科学奖，1993年获美利坚哲学学会颁发的本杰明？富兰克林奖章，1994年秋又获费城富兰克林学院颁发的鲍威尔科学成就奖。
李政道和杨振宁在事业上的心心相通，是从字谜比赛开始的。
1947年年初的一天，芝加哥的一家颇有影响的大报纸登出举办字谜比赛的消息，头等奖可以获得5万美元的奖赏，奖金数量相当可观。这项活动对青年人很有吸引力，许多青年茶余饭后都在谈论这件事，一些人简直到了入迷的地步。
李政道和杨振宁从小都喜欢做这类有意思的智力游戏，这次字谜活动也激起了两个人的兴趣。他们无论干什么都非常认真，在业余时间拿来报纸，认真地、逐条逐字地对比赛游戏研究起来。他们很快发现比赛规程上有一处模糊不清，使得字谜可以作两种解释说明。两位中国青年认为，这种模糊不清正是出题人的高明所在。他们俩经过合计后，就交上了自己认为合理的两套答案。两位中国青年人认为，他们这次稳获头奖。但结果出人意料，几天之后，他们收到报社寄来的答复，答复是否定的。这个结果使他们心里感到很不平，好几天心里还静不下来。通过这次游戏，李政道和杨振宁发现彼此志趣非常投合，在抽象思维方面，他们有更多的共同语言，尤其在物理方面都有浓厚的兴趣和坚定的信念。
1948年，是李政道和杨振宁正式开始事业上合作的一年。在费米先生的指导下，李政道、杨振宁和罗森布鲁斯一起写了一篇关于粒子物理方面的文章。
1950年，李政道在获得博士学位后，在芝加哥大学天文学系工作半年。之后，他又来到加利福尼亚大学物理系任讲师，搞物理方面的研究工作。一年之后，在费米先生极力推荐下，李政道于1951年秋来到普林斯顿高级研究所工作。在这里，李政道又与杨振宁会合了。
从此，他们俩的关系日益密切，开始共同进行弱相互作用这一理论物理学中的前沿高难度问题的研究。