面对周围的种种议论，李四光陷入了深深的思索：外国专家反对自己提出的新观点并不奇怪，因为他们一向看不起中国人。但是某些中国学者缺乏独立思考精神，只知一味附和英美专家，这实在可悲！不过从另一角度看，自己的理论也存在着一些缺点，它所使用的依据还不够严密。这个理论也只是像刚刚出土的幼芽，还不成熟，还有待进行更深一步的研究。想到这里，李四光又为自己制定了一个新的研究计划，他把已经达到的高度，作为新计划研究的起点。
没过多久，李四光作为北京大学的代表，赴莫斯科参加地质学会议。在火车上，李四光仍然没有停止研究。他展开地图，用地质学家独具的敏锐眼光观察着周围的一切。当火车越过乌拉尔山脉时，他惊奇地发现：这座着名的山脉，褶皱强烈，南北蜿蜒，耸立在辽阔的西伯利亚平原。这一奇特的地质现象引起他的思考：这座南北走向的山脉是如何形成的？它是孤立存在，还是与别的地质现象有联系呢？一路上，这个问题始终萦绕在李四光头脑中。
在莫斯科，李四光见到了前苏联一些地质学专家。他将自己思考的问题提出来和同行们进行探讨。当时传统地质学称地壳上褶皱强烈并隆起的地区为“地槽”。因此，前苏联专家听完李四光的问题后，不假思索地回答：“乌拉尔山脉，它是由一个南北地槽在返回阶段中转变而成的。”李四光对这个简单的回答感到不满足，他认为乌拉尔山脉是在上古时期由一次巨大的构造运动而形成的，这次运动不可能只形成一个孤立的乌拉尔山脉。他打开前苏联地质图仔细察看，发现在乌拉尔山之南有一座东西延伸，而又向南突出的巨大弧形山系。这座东西走向的弧形山系与南北走向的乌拉尔山组成了一个巨大的“山”字。李四光对着地图反复思考：这种山字形构造是否是在地球自转速度加快时引起地壳广泛运动而产生的内部有联系的一种构造体系？为了论证自己的想法，回国之后，李四光着手实地考察。
1927年，蔡元培在上海成立中央研究院，聘请李四光担任中央研究院地质研究所所长。第二年，李四光率领一个小组来南京、镇江一带考察，发现宁镇山脉为一座大致东西走向的弧形构造，弧形的顶部向北突出，李四光认真思考起来：如果山字形构造确实是地壳在自转速度变化中形成的一种体系，那么这种地质现象一定具有普遍意义。宁镇山脉走向与山字形构造的前弧十分相像，那么在它的南面应该有一座南北走向的山脉。带着这种设想，大家四处寻找，最后在南面果然找到了南北走向的茅山山脉，它与宁镇山脉恰好形成了山字形构造。此后不久，李四光又在全国各地发现了许多山字形构造。由此他得出结论：山字形构造是地壳表面运动时产生的一种专门类型，只要发现有南北走向的脊柱，就可以在它的东西方向找到一个大致为弧形的山系。反过来，只要发现了东西走向的弧形构造山系，在弧顶便可以找到南北走向的山脉——山字形构造的脊柱。
在对山字形构造体系的研究中，李四光逐渐发现，地壳上除去山字形构造体系外，还存在着其他各种以不同形式组合的构造体系。这些构造体系的发现，说明地壳上的褶皱和沉降，并非杂乱无章，而是有其自身生成规律和内在联系，即：它们都是因地球自转速度的变化，影响地壳运动也出现相应的变化，由此产生出各式各样的构造体系。
1929年，李四光发表“东亚一些典型构造形式及其对大陆运动问题的意义”。这篇文章标志着他开始进入了研究地壳构造体系的新阶段，这位不知疲倦，勇于探索的青年学者，终于揭开了地层的奥秘，向着新的研究领域进发。
向权威挑战
地质专家的研究表明，在地球发展史上曾先后出现过几大冰期——大地被冰雪覆盖，后来地球转暖，冰雪融化，形成流动的冰川。根据专家们推算，距今年代最近的一次冰期发生在两三百万年前的第四纪，故又称第四纪冰川。在欧美许多国家，都发现了第四纪冰川的遗迹，但那些身在中国的欧美专家在没有经过详细考察的情况下，就断定中国没有第四纪冰川。对于这种结论，李四光不肯轻易相信。1921年，李四光带领学生到太行山麓的沙河县考察地质，发现一些颇为典型的冰川条痕石。后来，李四光在山西大同盆地口泉附近，又发现了一个冰川U形谷，在谷底也有许多典型的冰川条痕石。
李四光将条痕石标本带回北京，并特意去找瑞典地质专家安迪生进行鉴定。
没想到这位洋专家不屑一顾地将标本扔在一边，说：“李希霍芬是德国有名的地质专家，在中国做了30多年考察，都没有发现冰川”李四光耐心地等他把话讲完，然后指着自己从太行山背回来的条痕石标本说：“请你看看这又深又长的条痕”。然而安迪生的回答却令人气愤，他轻蔑地说：“我们没有发现的东西，你们中国人永远也不会发现！”听了这话，李四光立即站起身，搬起标本石头毅然地走出房门，他相信真理是掩盖不住的。1922年，他将自己的发现撰写成一篇论文，题目为《华北晚近冰川作用的遗迹》在伦敦发表。然而，李四光并不满足已有的发现，他还要找到更多确凿的证据。
于是，他带领学生翻山越岭，先后考察了太行山、九华山、天目山、庐山等许多地方的冰川遗迹，获得了越来越多的资料。他在课堂上和文章中，不断公布自己的研究成果，但一些国内外学者对此仍持怀疑态度。1934年春，由丁文江、翁文灏设法筹集一笔数目不小的款子，邀请在华的外国地质学者到庐山参加第四纪冰川遗迹讨论会，应邀参加这次讨论的有瑞典地质学家安迪生、美国的古气候学家巴尔博、瑞士的诺林、法国的德日进及特茵哈兰等人。
李四光和几位青年学生参加了这次辩论。为了用事实证明自己的结论，李四光带领这些外国专家登上庐山进行实地观察。当人们登上小天池时，李四光指着小天池下的U形谷说：“先生们，请看冰川流动铲削成的U形谷！”
这时，法国人德日进却指着U形谷下一道深深的水沟说：“这条水沟可以说明，这道山谷是过去的流水冲刷出来的。它与冰川没有什么关系。”李四光立即反驳道：“先生们，请你们注意这条水沟的位置，水往低处流，这是普通的常识。可是这条水沟，为什么不在谷底，却在谷底偏上的一侧呢？如果这个山谷是流水冲刷出来的，谷底就应该成为V字形，为什么它现在是U字形呢？”李四光的一席话使在场的外国专家一时无言以对，因为李四光谈到了问题的本质。在场的人都清楚：古代冰川遇到气候转暖时便会融化，由于冰块表面将大部分阳光反射出去，所以它吸收的热量较少，而冰块两侧的山谷所吸收的热量则远远超过冰块，因此，冰块首先是从与山谷两侧岩石相接触的地方开始融化，这样在冰块两侧形成冰川排水道，而且山谷的阳面冰块融化快，冰水量较大，这面的水沟越来越深，所以冰川形成的水沟不在谷底，而是比谷底略高一些。面对事实，德日进稍稍沉吟了片刻，又辩解道：“我是说，那宽阔的谷底，是古代的流水冲刷出来的；而那深深的水沟，则是今天的流水切割出来的。”这番回答使李四光感到好笑，他幽默地反问道：“古代的流水竟能冲刷出宽阔的谷底，而今天的流水倒只能切出深沟。请问，这古代的流水和现代的流水，为什么会产生这样截然不同的结果呢？”德日进被李四光的反问弄得十分尴尬。随后，李四光又用大量事实，驳倒了几个外国专家的诘难。他的论点鲜明，论证有理有据，几位傲慢的外国专家再也找不出反驳的理由，但又不肯服输，以至辩论无法继续进行。另有几位欧美学者在确凿的事实面前开始转变态度，瑞士学者诺林在鄱阳湖畔看到石灰岩表面的条痕时，低声对李四光说：“假如在我们国家，这就是冰川造成的遗迹。”
美国学者葛利普也私下承认：“这很像我在美国时所看到的冰川地形。”
作为一名正直的科学家，李四光坚持真理，伸张正义，从不肯向黑暗势力低头。当国民党特务暗杀进步民主人士杨杏佛，制造白色恐怖之际，李四光不畏强暴，毅然冒着生命危险从南京奔赴上海，参加在万国殡仪馆为杨杏佛举行的追悼会，并且将自己在研究“蜓科”中新发现的一个属取名为“杨铨蜓”，以此来纪念为争取民主自由而献身的杨铨（即杨杏佛）烈士。
就这样，李四光领导大家克服一个又一个困难，在战火纷飞的年代，继续从事着科学研究。
地质力学
1940年秋，李四光与几位学生到鄂西恩施和建始一带继续考察冰川遗迹。当他们一行到达湘西黔阳县城已是人倦马乏，于是来到一家茶棚里休息。
就在他们坐着喝茶时，一位衣衫褴褛的农民悄悄走过来向他们推售珍贵的金刚石颗粒。李四光连忙拉住他的衣袖，请他坐下一同喝茶，并且详细询问了金刚石的来源。按照这位农民指点的路线，李四光等人穿过甘蔗田，越过长满柑橘的小丘陵，走进深山。在山间的岩壁上，他们证明发现了一条冰川擦痕，证明他们又进入了一条U形谷。他们急切地四处寻找，结果在一块大砾石的下面，发现了一颗虽然细小但闪闪发光的金刚石砂粒。有学生问：“李先生，你认为它们可能是冰川搬运下来的吗？”李四光答道：“是的，我正是这样分析的。”接着，他向学生们进一步阐明自己的想法，最后他总结道：
“以前我们是沿着出金砂的河床往上游找金矿；现在，我们要注意冰川泥砾的分布，它是追溯金刚石矿岩脉的重要线索。”说到这儿，他顺着冰川的走向朝上游望了望，接着说：“我们在这儿发现的金刚石砂，它的原生矿床，应当在这冰川故道的高原上。这样一来，研究冰川遗迹，就与找寻矿产的普查勘探工作密切地联系起来了。”李四光的一席话，使大家茅塞顿开，对自己的研究工作更加信心百倍。
李四光所着《中国地质学》自1939年在伦敦出版后，受到英国地质学界广泛的关注与赞许，但也有人指责这本书重在理论探讨，没有包括矿产分布是一个明显的缺点。对于这种指责，李四光愤然反击，他说：“为什么要包括中国的矿产分布？在中国政府还受帝国主义支配的时候，难道要把矿产写出来，便于帝国主义掠夺吗？”爱国之情溢于言表。与此同时，李四光也对地质学的有关问题进行更深层次的研究。他的《中国地质学》一书曾对各种具体的构造类型的研究进行了总结。他认为只做到这一步是不够的，还应该在理论上找出各种构造的独特本质，去修改、完善构造体系这个概念。他在研究中发现，我国的东西构造带与其他构造体系显着不同，例如华夏系的走向是东北——西南，而新华夏系则为北北东——南南西走向。另外，山字形构造的特点是前弧一般向南凸出。这些不同类型的构造体系，往往显示对不同矿产的控制作用。如在东西带中，有时蕴藏着铜、钨、锡、金等类的重型矿体。在新华夏沉降带，则有沉积某种矿物资源的条件，例如石油之类。至于煤田的分布，往往与山字形构造有关。这是为什么呢？李四光废寝忘食地研究着这些问题。一天，他从工作室出来，由于全神贯注地思索，竟朝着与回家路线相反的方向走去，直到走进松树林，一声狗叫才打断了他的思路。
他发现一只小狗蜷缩在一棵大树下，便将狗带回家，并给它起了个名字“阿龙”。李四光的女儿为小猫出入房门方便，在门房开了个小洞，阿龙见小猫钻洞，也想钻，但它身子比猫肥大，钻不进来就在洞口汪汪直叫，李四光看到后便对女儿说：“你是否学学牛顿，在这个洞口旁边，再开一个阿龙可以通行的大一点的门呢？”
李四光本来是顺口提起了牛顿，但这一提倒使他想起了牛顿力学中的作用与反作用定律，即某一物体受到另一物体的作用力时，必然产生与之相应的反作用力。李四光由这个定律得到启示：地球自转运动中所产生的离心力，必然会使地壳产生一种应力——地应力。地壳上的各种构造型式，就是由于受到地应力的作用而形成的。
为了从理论上研究地应力的作用，李四光进一步钻研力学、高等数学等相关学科，同时决定通过模拟实验进行验证。一天，他从旧货店买回来一个铝制空心大圆球，他将铝球安装在一根轴上，这就是地球模型。然后，在女儿的协助下，他将调好的纸浆均匀地敷在整个球面上作为地壳，一切准备完毕，李四光开始旋转铝球。随着旋转速度的加快，只见在地球两极和赤道之间的纸浆，因离心力的作用开始错位，缓缓向赤道方向移动，形成一个近似山字形构造形式。它的弧顶向着赤道方向（即向南）突出，在弧形中间出现了一条南北方向的脊柱。这个实验使李四光大为振奋。随后，他又和学生们一起，在实验室反复进行多次模拟实验，实验结果使李四光能够用力学原理来解释自然界地壳上出现各种构造型的原因。以山字形构造为例，当离心力推动地壳向南运动时，这个山字形的弧顶便向南突出；同样，当地壳受到来自南北方向力的挤压时，便会产生纬向构造带。实验还进一步证明，这种力的作用影响到地球深处时，就会促使地下的某些矿藏向某个构造带集中，形成不同的矿床分布。
这是李四光地质研究中一个了不起的转折点，他将力学引入地质学的研究领域，并将二者有机结合。从此以后，各种地质构造现象便都可以用力学的观点加以解释并寻找规律了。