1950年，杨振宁关于p0衰变的论文以及他和Tiomno 关于β衰变中相位因子的论文奠定了他在此领域中的领先地位。1956年，θ-τ之谜是粒子物理学中最重要的难题，当时普遍讨论宇称是否可以不守恒。
杨振宁和李政道从θ-τ之谜这个具体的物理问题走到一个更普遍的问题，提出“宇称在强相互作用与电磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也许不守恒”的可能，将弱相互作用主宰的衰变过程独立出来，然后经具体计算，发现以前并没有实验证明在弱相互作用中宇称是否守恒。
他们更指出了好几类弱相互作用关键性实验，以测试弱相互作用中宇称是否守恒。吴健雄于1956年夏决定做他们指出的几类实验中的一项关于60Co β衰变的实验。
次年1月，她领导的实验组通过该实验证明在弱相互作用中宇称确实不守恒，引起全物理学界的大震荡。因为这项工作，杨振宁和李政道获得1957年的诺贝尔物理学奖。
20世纪60年代，寻找具有非对角长程序的模型的尝试将杨振宁引导到量子统计模型的严格解。1967 年，杨振宁发现 1 维δ函数排斥势中的费米子量子多体问题可以转化为一个矩阵方程，后被称为杨—Baxter方程（因为1972年Baxter在另一个问题中也发现这个方程）。
1967年，杨振宁还写了一篇于翌年发表的文章，进一步探讨了此问题的S 矩阵。 后来人们发现杨—Baxter 方程在数学和物理中都是极重要的方程，与扭结理论、辫子群、Hopf代数乃至弦理论都有密切的关系。杨振宁当年讨论的1维费米子问题后来在冷原子的实验研究中显得非常重要，而他在文中发明的嵌套Bethe假设方法次年被Lieb和伍法岳用来解出了1维Hubbard模型。Hubbard模型后来成为高温超导的很多理论研究的基础。
1986年，杨振宁创建南开大学数学研究所理论物理研究室，本着“立足南开，面向全国，放眼世界”的开放精神，开展了一系列研究工作。杨振宁创建后亲自指导研究工作。主要研究方向为数学物理及其在物理中的应用，包括量子可积系统，杨—Mills场，杨—Baxter系统，量子群，关联体系的代数结构，Yangian，纽结理论等。
2003年，杨振宁自美国返清华正式定居的头一年，他亲自执教“大一物理”；之后，他便放下了教学工作，全部精力集中到发展清华高等学术研究中心的工作上。清华大学1997年成立高等研究中心，创始人杨振宁任名誉主任，致力于基础科学研究和人才培养。他把在清华的工资都捐出来用于引进人才和培养学生。
清华高等学术研究中心，是杨振宁仿照美国普林斯顿高等研究中心模式创立的，规模不大、人数不多，但人员和研究项目都一定是第一流的。“中心”的日常运作经费由清华校方负责，但如果要特邀一些科学家来担任访问学人，“中心”就要自己拿出经费。因此，筹款成了“中心”最重要的工作之一。
杨振宁与翁帆演绎忘年恋
2004年12月24日，82岁的杨振宁教授与28岁的 广东外语外贸大学硕士研究生翁帆在汕头市民政局涉外婚姻登记处办理了结婚登记手续。面对这场“十八新娘八十郎，苍苍白发对红妆”式的婚恋，有人祝福，也有人质疑。杨振宁形容未婚妻翁帆为“上帝恩赐的最后礼物”。 杨振宁表示，青春并不只和年纪有关，也和精神有关。他虽然岁数上已经年老，但精神上还是保持年轻。这也是翁帆觉得他有吸引力的部分原因。翁帆的同学介绍，翁帆的毕业论文曾打算写“ 杨振宁的翻译思想 ”。
从道德理论上讲，我们没有什么可以去指责他们的，选择时，他们都已经成年，或者说远远超越了成年，这是他们自由意志的选择，他们并没有用感情炒作，他们也没有妨碍到谁。有的人外貌或许已经老去，但是心灵还是年轻的，岁月会带给他们丰厚且常随其身的馈赠，魅力以及爱情可能只是自然而然产生的附属品。
