Работы Ли относятся к квантовой теории поля, теории элементарных частиц, статистической механике, астрофизике. В 1954 предложил модель квантовой теории поля (модель Ли). В 1956 Ли и его соотечественник Ч.Янг пришли к выводу, что q- и t-мезоны, считавшиеся разными частицами, на самом деле – одна элементарная частица, К-мезон. Это открытие привело их к заключению, что при слабых взаимодействиях закон сохранения четности («правое» или «левое» направление спина частиц и некоторых других их характеристик) не выполняется. Ли и Янг предложили идею эксперимента для проверки этой гипотезы, который в 1957 подтвердил правильность теоретического вывода ученых. За это открытие они и были удостоены Нобелевской премии. В 1960 Ли совместно с Янгом выдвинул предположение, что слабые взаимодействия обусловлены промежуточным векторным бозоном, и постулировали его свойства. Последующие работы относятся к теории градиентной инвариантности (теория полей).