1957年，他和李政道共同提出宇稱不守恒理論並獲得諾貝爾物理學獎。楊振寧為自己曾在中國和陶偉接受教育而自豪。在接受諾貝爾獎時，他的代表發表了演講:“我深刻地意識到壹個事實，從廣義上說，我是中國文化和西方文化的產物，這兩種文化既和諧又沖突。我想說，我為我的中國傳統感到自豪，我也致力於現代科學。”
楊振寧在粒子物理、統計力學和凝聚態物理領域做出了裏程碑式的貢獻。20世紀50年代，他與米爾斯合作提出了非阿貝爾規範場理論。1956與李政道合作提出弱相互作用宇稱不守恒定律；在粒子物理和統計物理方面做了大量開創性的工作，提出了楊-巴克斯特方程，為量子可積系統和多體問題的研究開辟了新的方向。
清華大學前校長顧林冰高度評價了楊振寧，稱“楊先生是中國科學家的壹面旗幟”。顧林冰透露，楊振寧擔任校長期間，曾推薦著名計算機專家姚期智到清華任教，為清華引進了壹大批高端人才發揮了非常重要的作用。“他還把在清華的工資捐出來，用於引進人才和培養學生。”