1956年杨振宁和李政道合作，深入研究了当时令人困惑的θ-τ之谜——即后来所谓的K介子有两种不同的衰变方式。杨振宁和李政道通过分析认识到，很可能在弱相互作用中宇称不守恒。他们仔细检查了过去的所有实验，确认这些实验并未证明弱相互作用中宇称守恒。在此基础上他们进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称不守恒的实验途径。次年，这一理论预见得到吴健雄小组的实验证实。因此，杨振宁和李政道的工作迅速得到了学术界的承认，并获得1957年诺贝尔物理奖。
杨振宁与李政道于1940年代末开始亲密而富有成果的合作，但在1960年代初终止。曾是好友的两人，最后却演变成彻底决裂、连碰面都尽量避免的地步，成为华人学术界的憾事。关于他们个人关系分裂的原因，杨李双方偶有公开叙述，然而各有说辞，令外界对真实原因依然不得而知。杨振宁曾形容他和李政道的关系，“有时候比我们和我们的太太之间的关系还要密切……这样深厚的一个关系，破裂的时候，我想跟一个婚姻的破裂，是在同一等级的痛苦。”杨振宁表示李政道是自己最成功的合作者，与李政道的决裂是他今生最大遗憾。