杨振宁的物理学研究领域广泛,他在统计力学、粒子物理学理论和量子场理论等方面都取得了杰出成就,特别是他和李政道合作期间成果丰硕。在统计物理方面,他与李政道合作关于相变的一系列研究已经成为经典文献;他本人在1967年首先发现的Yang-Baxter方程为可积模型的研究开辟了全新的方向,对物理和数学都有广泛的影响;他还提出了非对角长程序的概念。
1954年,杨振宁与罗伯特·米尔斯一道提出了杨-米尔斯理论,即非阿贝尔规范理论,杨-米尔斯理论对基础物理学产生了深远的影响,是粒子物理学的标准模型的基础;1970年代他与吴大峻合作研究规范理论的整体性质,亦即规范理论与数学上纤维丛的密切联系,杨-米尔斯理论的数学性质也是近三十多年来数学研究的重要课题。