В 1927 году поступил в аспирантуру Ленинградского физико-технического института. В октябре 1929 года по решению Народного комиссариата просвещения Ландау направили на стажировку за границу. Он посетил Германию, Данию, Англию.
Поездки за границу, встречи с учеными сыграли значительную роль в научной биографии Ландау.
Наиболее существенным для формирования Ландау как ученого и учителя было посещение Копенгагена и пребывание в Институте теоретической физики у Нильса Бора. Ландау всю жизнь считал себя учеником Бора.
В 1932 году Лев Ландау возглавил теоретический отдел Харьковского физико-технического института (УФТИ). Продолжая активную исследовательскую работу, Ландау одновременно начал преподавать, а в 1935 году стал заведующим кафедрой общей физики Харьковского университета. Именно в эти годы он сформулировал и начал осуществлять свою жизненную программу – написать полный курс теоретической физики и окружить себя профессионалами: учениками, коллегами, соратниками.
Когда двадцатичетырехлетний юноша строит грандиозные планы, это не удивительно, уникально то, что он их полностью осуществил.
Начала создаваться школа Льва Ландау – появились первые ученики. Ландау составил программу того, что должен знать будущий молодой научный работник, если он хочет заниматься теоретической физикой (подразумевалось, под его руководством), – знаменитый теорминимум.
Начались годы репрессий. Ландау воспользовался приглашением Капицы и занял должность руководителя теоретического отдела организованного им Института физических проблем (ныне имени Капицы).
Но этот его отъезд из Харькова не спас Ландау от ареста: в ночь с 27 на 28 апреля 1938 года он был арестован. На следующее же утро, 28 апреля, Петр Капица пишет письмо Сталину, пытаясь защитить своего сотрудника. На протяжении года Капица не прекращает усилий в попытках освободить Ландау. Осенью 1938 года Нильс Бор также пытается привлечь внимание Сталина к судьбе Ландау: «если имело место недоразумение, Ландау – надеется Бор – получит возможность продолжать исследовательскую работу, столь важную для прогресса человечества».
В апреле 1939 года Лев Ландау был освобожден из тюрьмы «под личное поручительство» Капицы. Навсегда сохранил Ландау благодарность Капице, считая его своим спасителем. Ландау неоднократно повторял, что если бы не помощь Капицы, то в тюрьме или в лагере он наверняка бы погиб. «Дело» Ландау (точнее, та его часть, которую наследники НКВД решили обнародовать) в 1991 году было издано. Близкие и друзья Ландау знали, что арест оставил в душе Ландау страх, который несколько уменьшился после смерти Сталина.