杨振宁在布鲁克海文和米尔斯共享一间研究室。米尔斯是那个时候在哥伦比亚大学的理论物理学家克罗尔的研究生，即将拿到博士学位。杨振宁正好那时开始研究他一直感兴趣的场论问题，他将他的想法说给米尔斯。两个人因此开始合作研究这个问题，并写成一篇重要的论文，这就是后来所谓的“杨——米尔斯规范场论”。这个理论随着20世纪70年代实验和理论物理的逐渐发展，成为20世纪几个最重要的理论物理架构之一。也奠定了杨振宁一代物理大师的地位。
1954年，美国政府剥夺了奥本海默接触国家机密的资格，甚至赶尽杀绝地想将他由普林斯顿高等研究院赶出去。这一来触怒了高等研究院的成员，包括戴森、爱因斯坦、派斯和杨振宁在内的所有26位永久成员都在一份声明上签名，公开表达对奥本海默的支持。经此打击，奥本海默直到1967年去世，都没有恢复往昔的风采。
这一年，杨振宁在布鲁克海文一年的工作结束以后，他回到普林斯顿高等研究院看望病重的费米。杨振宁和许多人都怀疑，费米是因为做实验不小心吸入了有害物质而伤害到了健康，那个时候费米才54岁。这次探望后不出三个月，费米就去世了。
费米去世之后，芝加哥大学空出来一个教席，他们想再请杨振宁回去。杨振宁那时和李政道有密切的合作，所以在芝加哥大学邀请他回去的时候，他要芝加哥大学也一并聘请李政道，后来杨振宁并没有回到芝加哥大学。那个时候，李政道去了哥伦比亚大学做助理教授，他们定下一个互访的办法：每个礼拜有一天杨振宁到哥伦比亚大学，李政道则在另外一天到普林斯顿或者布鲁克海文。这种密切的合作，产生了丰富而杰出的科学成果，并且促成两人在1956年合写了一篇论文，挑战弱作用中宇称守恒的定律，并使他们在1957年成为最早得到诺贝尔奖的两个中国人。
杨振宁和李政道在物理科学上的合作，曾经是比较缺乏合作传统的普林斯顿高等研究院中的一桩美事。杨振宁自1949年就一直在普林斯顿高等研究院，李政道也曾三度在那里访问。普林斯顿高等研究院的院长奥本海默就常讲，光是看到杨、李二人一同走在研究院里，就让觉得骄傲。
杨、李难得的合作关系终究不能持久，在得到诺贝尔奖之后5年，也就是1962年，两人终于吵翻分手。李政道很快离开当时访问的普林斯顿高等研究院，回到哥伦比亚大学。1966年，杨振宁也离开他待了17年的普林斯顿高等研究院，应邀到纽约州立大学石溪分校开创一个全新的理论物理研究所。
