在芝加哥大學期間，楊振寧與物理學大師費米教授交往密切，受到費米的很大影響。1949年，在費米和泰勒兩位著名物理學家的推薦下，楊振寧加入普林斯頓高等研究院任研究員，從此開啟了輝煌的學術生涯。1952年他任永久研究員，1955年任教授。

早在芝加哥大學讀研究生時，楊振寧就開始思考拓展電磁學規範不變性的概念，以此統一描述當時發現的層出不窮的基本粒子。

△1954年楊振寧與米爾斯關於“非阿貝爾規範場”的論文

1954年，楊振寧與米爾斯提出“非阿貝爾規範場”理論，被後人稱為“楊-米爾斯規範場論”。該理論被認為是麥克斯韋電磁理論之後的規範場論最重要的發展，奠定了後來粒子物理標準模型的基礎，由此發展出“對稱性支配相互作用”的基本思想。

粒子物理標準模型是迄今為止描述基本粒子相互作用最基礎的理論，統一了弱相互作用、強相互作用和電磁作用。

△1999年楊振寧與米爾斯於石溪

“楊-米爾斯規範場論”被認為是現代物理學的基石之一，是與麥克斯韋方程和愛因斯坦廣義相對論相媲美的最重要的基礎物理理論之一，並深刻地影響了當代數學的發展。

“我為自己的中國血統和背景而感到驕傲”與李政道共同成為最早獲諾貝爾獎的中國人

1956年，他與李政道共同發表論文，提出了在弱相互作用下宇稱可以不守恒的思想，並提出了可能的實驗檢驗方案。這個革命性的觀念很快被吳健雄等人的實驗證實。

楊振寧與李政道“因他們對宇稱不守恒定律的深刻探索以及由此帶來的基本粒子領域的許多重要發現”，獲得1957年諾貝爾物理學獎，共同成為最早獲得諾貝爾獎的中國人。

△1957年楊振寧自瑞典國王手中接受諾貝爾獎章