楊振寧的物理學研究領域廣泛,他在統計力學、粒子物理學理論和量子場理論等方面都取得了傑出成就,特別是他和李政道合作期間成果豐碩。在統計物理方面,他與李政道合作關於相變的一系列研究已經成為經典文獻;他本人在1967年首先發現的Yang-Baxter方程為可積模型的研究開闢了全新的方向,對物理和數學都有廣泛的影響;他還提出了非對角長程序的概念。
1954年,楊振寧與羅伯特·米爾斯一道提出了楊-米爾斯理論,即非阿貝爾規範理論,楊-米爾斯理論對基礎物理學產生了深遠的影響,是粒子物理學的標準模型的基礎;1970年代他與吳大峻合作研究規範理論的整體性質,亦即規範理論與數學上纖維叢的密切聯繫,楊-米爾斯理論的數學性質也是近三十多年來數學研究的重要課題。