В эти же годы он опубликовал статьи на темы: кинетическое уравнение в случае кулоновского взаимодействия, поглощение звука в твердых телах, теория фазовых переходов, теория сверхпроводимости, статистическая модель ядер, рассеяние рентгеновских лучей кристаллами вблизи точки Кюри, рассеяние рентгеновских лучей кристаллами с переменной структурой, происхождение энергии звезд.
Более глубокое последствие для низкотемпературной физики, однако, имели исследования, начатые им в Харькове и продолженные по переезде в Москву в связи с организацией Института физических проблем П. Л. Капицы. Интерес Ландау к проблеме диамагнетизма оказался переходным между проблемой квантовой механики и теорией металлов. Помимо объяснения эффекта де Гааза—ван Альфена, применение термодинамики к электронным системам при низких температурах привело Ландау к следующим результатам:
1) Введено понятие антиферромагнитного упорядочения как новой термодинамической фазы.
2) Развита термодинамическая теория магнитных доменов (вместе с Е. Лифшицем), явившаяся основанием теории магнитной восприимчивости и ферромагнитного резонанса.
3) Изучены фазовые переходы и установлена глубокая связь между переходами второго рода и изменением симметрии системы. Развита подробная термодинамическая теория поведения систем вблизи точки перехода.
4) Изучено промежуточное состояние сверхпроводников и предложена теория ламинарной структуры сверхпроводников.
Также в течение своего харьковского периода Ландау начал работу над серией теперь широко известных монографий по теоретической физике.
Совершенно естественно, что при переезде в Москву, где он был назначен заведующим теоретическим отделом Института физических проблем, внимание Ландау обратилось к проблеме сверхтекучести, которая в то время экспериментально изучалась Капицей. Этот период его жизни знаменуется всесторонним штурмом низкотемпературной физики, и под его натиском крупная проблема природы гелия II (фазы жидкого гелия-4) вскоре отступила. Эта работа была близка интересам Фритца Лондона, решившего ее применением совершенно другого подхода. Ключом к разгадке этой проблемы гелия (работа опубликована в 1941 г.) была в полученном Ландау полуэмпирическим путем спектре энергетических бозе-возбуждений в этой жидкости. Форма теперь уже хорошо известной кривой зависимости энергии от импульса для таких квазичастиц имела минимум на энергетической высоте, равной 8—10 К. Такой спектр допускал существование квазичастиц в равновесии на этом уровне, и их по предложению И. Тамма Ландау назвал ротонами. Энергетическая щель А, присущая ротонам, допускает существование сверхтекучести.