1956年，楊振寧與李政道共同發(fā)表論文，提出了在弱相互作用下宇稱可以不守恒的思想，并提出了可能的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方案。這個(gè)革命性的觀念很快被吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。楊振寧與李政道因此獲得1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為最早獲得諾貝爾獎(jiǎng)的中國(guó)人。1966年，楊振寧離開(kāi)普林斯頓高等研究院，出任紐約州立大學(xué)石溪分校愛(ài)因斯坦講座教授。他在石溪分校創(chuàng)立理論物理研究所（現(xiàn)名為楊振寧理論物理研究所），擔(dān)任首任所長(zhǎng)并在該研究所工作至1999年。1967年，楊振寧發(fā)現(xiàn)一維量子多體問(wèn)題的關(guān)鍵方程式，該方程式與巴克斯特于1972年提出的相關(guān)方程具有相同的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，被命名為“楊-巴克斯特方程”，開(kāi)辟了統(tǒng)計(jì)物理和低維量子理論研究的新方向，促成了量子群這一數(shù)學(xué)新領(lǐng)域的興起。

楊振寧身居海外多年，但始終牢記父親楊武之“有生應(yīng)感國(guó)恩宏”的囑托，擁有濃濃的家國(guó)情懷。1971年中美關(guān)系剛有解凍跡象，他寫信給父親表達(dá)回國(guó)探親的意愿，獲批準(zhǔn)后回國(guó)訪問(wèn)，受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的親切接見(jiàn)，并見(jiàn)到了摯友鄧稼先。返美后，他到多所大學(xué)演講，掀起大批華裔學(xué)者訪華熱潮，被譽(yù)為架設(shè)中美學(xué)術(shù)交流橋梁第一人。1972年，他再次回國(guó)訪問(wèn)，向周恩來(lái)總理提議中國(guó)應(yīng)重視基礎(chǔ)科學(xué)研究，得到周總理的高度重視。1977年，為促進(jìn)中美邦交正?；?，他組織成立全美華人協(xié)會(huì)并擔(dān)任會(huì)長(zhǎng)。1979年1月30日，他在華盛頓主持歡迎鄧小平的宴會(huì)并致辭，指出中美建交符合兩國(guó)人民利益，并強(qiáng)調(diào)世界上只有一個(gè)中國(guó)，呼吁華人華僑為中國(guó)統(tǒng)一大業(yè)作出貢獻(xiàn)。

此后數(shù)十年，楊振寧為促進(jìn)中國(guó)科技交流和進(jìn)步做了大量工作。他從國(guó)家發(fā)展大局出發(fā)，為中國(guó)重大科學(xué)工程和科教政策制定發(fā)表關(guān)鍵性意見(jiàn)。1980年，他在紐約州立大學(xué)石溪分校設(shè)立“對(duì)華教育交流委員會(huì)”，從美國(guó)和中國(guó)香港地區(qū)募集資金，資助中國(guó)學(xué)者到美國(guó)進(jìn)修。前后十余年間，近百位學(xué)者受此資助赴美進(jìn)修，成為后來(lái)中國(guó)科技發(fā)展的重要中堅(jiān)力量。1982年，他致函中央領(lǐng)導(dǎo)同志，就中國(guó)科研事業(yè)的戰(zhàn)略性問(wèn)題和發(fā)展方向提出意見(jiàn)和建議。1980年代起，他先后幫助中山大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校設(shè)立理論物理等基礎(chǔ)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)。1986年，他應(yīng)邀擔(dān)任香港中文大學(xué)博文講座教授，對(duì)香港的科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。1989年，他擔(dān)任亞太物理學(xué)會(huì)首任主席，該學(xué)會(huì)后來(lái)設(shè)立“楊振寧獎(jiǎng)”以表彰年輕學(xué)者。1992年，他協(xié)助設(shè)立了“求是科學(xué)基金”和“何梁何利基金”。從1997年到2005年的八年間，他多次致信中央領(lǐng)導(dǎo)同志，力主中國(guó)應(yīng)立即發(fā)展自由電子激光，對(duì)中國(guó)建設(shè)自由電子激光裝置作出歷史性貢獻(xiàn)。2002年，他應(yīng)邀參與籌建邵逸夫獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃，并擔(dān)任總評(píng)選委員會(huì)主席。2018年，他還應(yīng)邀擔(dān)任“科學(xué)探索獎(jiǎng)”的共同發(fā)起人。