春去夏来，天气逐渐转暖了。李四光和丁燮林、王世杰一行，于1920年5月回到了北京，就任北京大学地质系教授。
北京大学当时坐落在内城景山之东，清末京师大学堂旧址。文科、法科在北河沿，理科在马神庙。北京大学自从1917年蔡元培任校长之后，仿效欧美，对校制进行了一番改革。将原有的文科、理科、法科各门，改组为若干个系，先后设立的有哲学、中国文学、英国文学、法国文学、德国文学、俄国文学、史学、数学、物理学、化学、地质学、经济学、政治学、法律学14个系。聘请了不少当时知名的人士来校任教。学校还成立了立法机关“评议会”，为全校决策机构，评议员从教授中投票选出，实行教授治校。蔡元培认为大学应是“囊括大典，网罗众家”的学府，主张各派学说“兼收并容”，“以期各种学术之沟通”。因此，他把一所原以“中学为体，西学为用”的改良主义的旧式大学，改造成为提倡“民主与科学”的近代资产阶级的大学。
当李四光和丁燮林、王世杰来到学校报到时，蔡元培校长特约集了学校各方面的负责人，和许多老师，在二道门前迎接。李四光等人走进来时，蔡元培迎了上去，互相问候，并向前来的人员一一做了介绍。李四光对蔡元培诚挚敬人的作风，很为钦佩。
北京大学在1917年以前，曾在理科内设有地质门和采冶门。地质门一度停办，1918年重新恢复，并与采冶门合并成立地质学系。地质系设在马神庙北京大学第二院，即理学院内。马神庙是一个旧庙宇，房子破烂不堪，地质系的实验室、桌子、椅子都不合规格。这时有一、二、三、四年级学生各一班，共有60多人，其中一年级新生27人、二年级19人、三年级8人，四年级毕业班8人。教授有主讲经济地质的何杰，主讲矿物学的王烈，讲师、助教若干人，何杰担任系主任。1920年新聘的教授除李四光外，还有美籍犹太人葛利普，他主讲古生物学，并兼任地质调查所古生物研究室主任。李四光主讲岩石学和高等岩石学两门课程。
李四光到北京大学后，先住在地安门内东吉祥胡同；以后他在三眼井西口外北边造了一所宅子。办公的地方在理学院大礼堂东边的一个小房子内。
李四光除了所开的两门课程，再加上实习，每周授课23个小时，他治学态度严谨。讲课前，总要参考大量书籍资料，编写提纲，准备挂图和实物标本等，一丝不苟。他教书和当时一般的教学方法不同，不是纸上谈兵。他除了在课堂上给学生讲解理论知识外，还常常亲自带学生到陈列室去看各种岩石标本。他对学生们的要求也很严格，特别注意基础知识和基本功的训练。从岩石的肉眼识别，到显微镜下观察和辨别不同岩石的结构和性质，以及进行全面的化学分析，都要求学生自己去做，并能够掌握。他以亲身体验，教育鼓励学生不仅要学好岩石学，而且还要学好地层学、古生物学、矿物学和地质构造学，同时还要学好数理化。他的考试方法也同当时一般老师不一样，除了出几道题，要求学生在考卷上答复之外，还发给每个学生六七块编有号码的岩石标本，要求学生写出每块标本的名称、矿物成分、生成条件和矿产的关系等等，来测验学生掌握的实际知识。这样的考试，比答试题要难得多。如果平时不重视实验观察和野外实践，那么面对这些岩石就不可能做出正确的解答。第一次经过这样的考试之后，同学们都说：“我们的李老师教学真不错，要求真严格呀！”
野外观测是地质工作的基础。李四光告诉学生们，自然现象一般都是很复杂的，一定要由近及远，由简入繁，按这样的程序工作。他经常带着学生到北京西山等地区进行实地教学，边看边讲，一个山头，一条沟谷、一堆石子、一排裂缝，他都不放过。有时还不断提出问题，启发同学们的观察兴趣。地层层序、走向倾角、断裂方位，他都要求大家实测，并记在野外观测本上。岩石、矿物、化石都要采集标本，注明地点。每次野外回来，各人的背包都装得满满的。有一次李四光带学生在西山杨家屯煤矿实习，晚上回到住地，高年级学生杨钟健兴致勃勃地背回来一块含有植物化石的大石头，李四光感到很高兴，风趣地对杨钟健说：“你这是‘戴月荷石归’”。经过几次野外采集，系里的标本就多起来了。李四光又带着学生，归类整理，贴上标签，陈列在实验室里。那时北京大学没有汽车，野外实习都是步行，李四光总是走在前面，他走得很快，许多学生都跟不上。一次到西山三家店实习，赶火车已经很晚，到北京城已经是万家灯火了，李四光还写了一首很有意义的新体诗，发表在北京大学的《日刊》上。
由于学校经费不足，地质系学生的野外实习受到了限制。当时地质系的房屋也很少，设备十分简单。专用实验室仅四十来平方米，隔成里外两间，外间摆设了一点矿物、晶体标本，叫矿物实验室；里间放了一些岩石、化石标本，作为岩石和古生物实验室。上实习课时，两个年级的学生30多人合在一起，围着仅有的三架显微镜，拥挤不堪；看薄片时，每人只能轮到两三分钟。学生们对这种状况，很不满意，迫切要求改变。李四光一到地质系，看到这种状况，几次找蔡元培校长，提出了一系列的计划和建议。蔡元培对李四光的意见很尊重，表示支持，答应要努力设法解决。1921年11月，蔡元培邀请李四光列席评议会，讨论地质旅行费的津贴问题，结果通过了“津贴地质旅行案”。同时，实验经费也有所充实。地质系师生均感满意。教学工作，学习气氛都振作起来了。
李四光认为，良好的学习环境，对学生的学习是很有益处的，因此在这方面他也非常关心。当时马神庙院内，因久未清理，杂草丛生，颇显荒芜。学校决定要李四光担任二院庶务工作。李四光曾在日本学过工程，对建筑很熟悉。他带着学生丈量面积，绘图设计，一齐动手建设起来。他们在院子中心，用石灰划出一个圆圈，再划出几条放射状的小道，分别通向大门、教室、礼堂等处。几天之后，在院子中心就建起了一座高约一米半的圆形小石台，上面安放了一架日晷；石台的四面，各刻上一句话，正面是“仰以观于天文”，背面是“俯以察于地理”，左侧是“近取诸身”，右侧是“远取诸物”。围着石台的小道，全用碎石铺砌，两旁栽上了冬青和刺柏。不久，院内布置得井井有条，显得颇为雅静。
对于毕业的青年学生的前途，李四光是十分关怀的。杨钟健于1923年在北京大学地质系毕业，准备去外国留学。当时正是第一次世界大战以后，德国马克升值，生活费用很舒适，于是杨准备去德国。他写信征求李四光的意见，李四光很高兴，他感到当时中国还缺少研究古脊椎动物的专家，复信建议他最好选择古脊椎生物专业，并为他介绍了导师。杨钟健在德国明兴学习时，李四光在信中，多次指示他要注意动物学和古脊椎生物学，这更加坚定了他学习古脊椎动物的信心。杨钟健学成归国后，毕生从事中国古脊椎动物化石的研究，成为我国最早在这方面作了大量贡献的，并在国内外赢得很高声誉的科学家。后来，杨钟健在《李四光老师回忆录》中曾经感慨地说：“我一生的工作和李先生的这一指示是分不开的。”
李四光来到地质系之后，一面教书，一面进行着科学研究。他把备课、讲课、带学生实习，当作实践的好机会。他不断地积累资料，不断地思考和研究问题。他一生中在地质学方面的主要贡献，如古生物□科的鉴定方法、中国第四纪冰川的发现和地质力学的创立，都是在这期间开始的。李四光在进行这些项目的科学研究时，始终掌握从现象深入到本质，从结果追索到原因的治学方法，因此能不断地提出创造性的见解，并敢于向一些旧观点提出挑战。虽然不可避免的引起了某些争论，但却也因此而受到国内外专家们的重视。
李四光在研究工作中，不受国外传统地质学说的束缚，而是从实际出发，敢于破除传统学说中孤立地单纯描述地质构造现象的方法和结论，坚持用辩证唯物主义观点，去探索事物之间的内在联系。他认为，书当然是要读的，但也不一定读的太多，反正书是读不完的。读书是了解别人对问题的看法，供自己思考问题时参考，主要的是不要受书本的束缚，要独立思考，发现问题，解决问题。李四光教育学生，“做研究工作时，要先看实物标本，不要先查阅外国参考书，免得先入为主，处处受他人思想的束缚，要以我为主，先看化石的外形，再用放大镜、显微镜仔细观察化石的结构，自己进行描述，掌握它的特点，从实际出发，自己分析，提出论据，然后再翻译各国的参考书，进行比较和鉴定。”
李四光是这样说的，也是这样做的。李四光的科学知识是十分渊博的，在地质科学范畴内，他的研究也是多方面的。但他很少对别人有所评论，也很少对别人的观点轻易宣传。他总是有他自己的看法，埋头苦干，深入研究，反复验证，得出结论。他在20年代曾花费了好几年的时间研究□科化石，为的是解决石炭二叠纪的界限，分层和对比问题。当时世界上的□科专家已有不少，各有各的说法。李四光并受别人影响，自己从研究□科的构造开始，探索它们的发展方向，定出它们发生、发展和消灭的次序规律，以此为依据划分地层、对比地层。对石炭二叠纪地层的分界、分层和对比作出巨大贡献，也为□科的生物学研究大大地提高一步。
李四光对第四纪冰川问题的贡献也是独立思考的成果。在第四纪时，整个地球上是个寒冷的时代，发生过几次普遍的冰川时期。这是大家公认的事实。而中国这么大的地区却还没有人说过有第四纪冰川的存在，甚至还有人说就是没有第四纪冰川。李四光不盲目相信别人的说法。他认为世界上普遍存在的第四纪冰川，唯独在中国这块土地上从未发生过，是很难理解的。不存在像欧洲那样的大冰盖当然是可以的，连山岳冰川都不存的话，将如何去解释呢？究竟是有或无，关键是认识问题。不认识会把有说成无，认错了也会把无说成有。他前后花费了十多年的功夫钻研这一问题，终于证实了第四纪冰川在中国确实存在而且属山岳冰川类型，并进行了冰川分期，基本上和欧洲可以对比起来。现在这个问题已经完全是定论了。
他从力学观点研究地质构造，创立了地质力学这一新的科学。他认为地球既然是太阳系的一颗行星，是运动着的实体。一个实体的运动和由运动所发生的种种形迹，都必然要受力学原理的控制。因此，对一切构造形迹，都必然能够作出力学的解释。多年钻研结果，创建了地质力学这一新的学科，使地质构造的知识更系统化、更理论化、更科学化、更实用化了。
地质学是以研究自然现象为主的科学，观察自然现象是地质学最基础的工作。观察不仔细，就会视而不见。不能看到自然现象的本质，必然也不能对自然现象真正认识和理解。现象只是现象，它如何形成，如何发展，彼此有什么关系，必须深入分析才能理解，才能真正认识。对一些现象观察分析认识的结果，可能是正确的，也可能是偶然的，必须反复验证，才能得出真正的结论。拿出结论是很慎重的。李四光的这种治学精神十分突出。
在一处红砂岩地区的小山谷出口的，山坡上沙砾堆积，这本是平常的现象。住在那里的人也习以为常。然而，李四光一看就看出了问题，他看到沙砾层的倾斜是向内的而不是向外的。通过观察他发现砾石的成分是复杂的，不单是一地的砾岩碎块。仔细观察，深入分析之后，他认为这不是一般的河流冲积或山坡堆积而是冰川沉积物。最终经过多次实地考察、验证，肯定了那一地区第四纪冰川的存在。
他看到有些山脉是西北东南走向的，有的是东北西南走向的，两山相接处连成弧形。有时这两种方向的山脉之间还有南北走向的山脉。山脉的走向常人看来好像杂乱无章，然而，经他仔细观察发现，三种不同走向的山脉不是孤立的，各种各样的。它们之间有着密切的联系。形似山字，称山字形构造体系。它是由于地层向南运动，两端遇到阻力，中间继续南移，从而构成弧形。由于力的分解和相互作用，中间也形成了南北向的山脉。褶皱山脉的形成，不是简单地两边向中间一挤了事，各有各的具体情况。这样地仔细观察、深入分析、反复验证，他发现地球表面有种种的构造形态，形成构造体系，都是在力学原理控制下，地壳规律运动的结果，最后创立了地质力学这一新的学科。他决不轻易提出结论性的意见，总要反复验证，各个方面都讲得通时，才拿出结论来。知之为知之，不知为不知，实事求是和谦虚谨慎的精神，突出地贯彻在他的科研工作和日常生活之中。
李四光认为，真正做学问的，即要尊重前人的研究成果，又要以事实为依据，允许怀疑，提倡怀疑，“不怀疑不能见真理”。早在他留学英国期间，就逐渐养成了一个习惯，即每选一门新的学科，就广泛地搜集这门学科的有关材料和文献，了解它的发展史，以及这门学科有关的理论，应用范围和现状。这样，他的科学知识越来越渊博。近代地质学，可以说是从欧洲西北角开始发展起来的。在启蒙时代的地质论战中，英国的某些地质学家，如用火成论战胜水成论的赫顿，用均变论战胜灾变论的赖尔，都做出了重要的贡献。李四光对这些成就卓越的地质先驱们的论著，进行过细心的研读，同时，对地质学有创新的其他学者的著作，也都很感兴趣。他认为，凡是新的见解，都是极其宝贵的；凡是创新的工作，都是应该受到尊重的。同时，李四光从这些广泛的研读中，也渐渐地感到，无论哪一位科学工作者，他们在解释与论证地质现象的时候，都是以他们各自所见到的事实作为依据的，凭各人所见难免有片面之处，论点论证的难免有不足的地方，鉴于此，后人需要扬长避短，通过新观察到的事实去加以补充和态充实。
李四光在青年时代，在一篇文章中谈到治学态度时说道：“真正治学的态度，可以用一句话概括，那就是为真理而奋斗”。火一般追求真理的愿望，无止境地探索新事物的热情，被认为是有独创性科学家的优秀品质，李四光就是具有这种品质科学家中的一员。
科学是一项充满艰险的事业，因为每一项具有革命性的新发现，新理论的出现，总与当时流行的占统治地位的观念相冲突，冒犯、触犯某些人的利益。人们都凭自己的经验、知识、习惯和当时流行观念来判断新事物的强烈倾向，对新设想，常有一种抵触心理和冷漠态度。因而每一项创新、发明，总不可避免地会遇到种种阻碍。新发现革命性愈强，它们遇到的阻碍也就愈大。如果是超时代贡献的科学家，不仅需要具备超人的德、才、学、识，而且要有为真理而不顾一切的斗争勇气。正如伽利略所说：“追求科学真理需要特殊的勇敢”。
成年人思想领域内，常有一种惰性，那就是对旧事物、旧观念百般容忍，迁就；对新事物，新观念，百般挑剔、抵触或是回避。英国的贝弗里奇称之为“攻击——逃避”反映。这种心理形成一种无形的社会压力，使得历史上许多有才华的科学工作者，面临新发现的大门，而屈服于这种压力，放弃研究，以至于胎死腹中，正如马克思说：“在科学的入口处，正像在地狱的入口处一样，必须提出这样的要求，这里必须根绝一切犹豫，这里任何怯懦，都无济于事。”
李四光大半生都处于半殖民地半封建的旧中国，在这样一个特定的历史条件下，他要在科学上做出前人没有做过的事业，发现前人没有发现的问题，提出前人没有提出的理论，除了上述社会心理障碍之外，还会遇到更多一层困难。他发现了中国第四纪冰川遗迹，这本是科学上的重要发现，但就是因为外国人在中国没有发现，不仅不被承认，反而遭到冷嘲热讽，引起了麻烦。他创建了地质力学这一新学科，有自己的指导思想、理论基础和严密的工作步骤、工作方法，就是因为与外国不同，也遭到人们的非议和冷漠对待。李四光在《我们所经历的两条道路的斗争》一文中，回顾这段历史时说：“对我来说，这里出现了两条道路，其一，放弃土法，连同土法获得的并经过了考验的若干科学成果也一样放弃，转过来采取人云亦云的方针，不越出抄袭或脱胎于洋法的范围。其二，是坚决地把守住我们已经占据的阵地，不作分寸的后退，继续战斗下去……这两条道路的抉择，当时也是有些困难的。抉择的核心问题，就是要不要为真理而奋斗。”李四光在此情况下，并没有畏缩后退，他说：“真理，哪怕是只见到一线，我们也不能让它的光辉变得暗淡，我们要继续战斗。”他常拿哥白尼来激励自己，并以此来教育青年。科学家这种为科学真理而不顾一切的献身精神，是市侩庸人们无法理解的。正是这种威武不能屈，贫贱不能移，为真理而斗争的精神，使他在极其艰难的条件下，奠定了我国第四纪冰川学的基础，创建了地质力学理论，为中华民族赢得了光荣。
李四光一生，勤于思索。从青年时代起，他就养成思索的习惯。在别人闲聊天时，他往往坐在一旁，静静地思索着自己的科学问题。
所谓勤于思索，就是善于运用自己的头脑，发挥自己的想象力。科学研究的步骤，通常是观察、分析、实验。而这些步骤，只有通过思维活动，才能把它们联系起来。科学的基础是事实，而事实本身是死的东西，只有通过想象力，才能赋予它以生命。科学研究需要多种多样的工具手段，但最重要的还是人的有训练的头脑。一个思想上的懒汉，不善于运用自己大脑的人，绝不会成为一个科学家。
有人问牛顿：“你为什么能有这么伟大的发现呢？”牛顿回答说：“我并没有什么方法，只是对于一件事情很长时间热情地思索罢了。”德国大诗人拜伦也说过：“要有独到之见，必须多思。”一个勤于思考的人，对自己研究的问题深思熟虑的人，在观察中就会敏感，及时地捕获从各方面传来的瞬息即逝的信息。并理解它的意义。善于在人们熟视无睹的大量重复出现的现象中，发现其规律。
李四光正是由于勤于思考，所以能捕获到有意义的事物，抓住这些现象背后的本质，从联系中揭示自然界的奥秘。如乌拉尔山脉南北蜿蜒，秦岭、天山横亘东西，这是千百年来，人们所司空见惯的现象。但李四光正是从人们不疑处生疑，不满足“事物本来就是这样”的不求甚解的答案，他有一种刨根究底的求知欲望，这使得他从中得到启发，创建了研究地壳运动的新途径。北京中山公园内社稷坛西口台阶上的一块大理石石板，多少人来来往往，从上面踏过，并未觉得它有什么特殊。李四光一次偶然来此散步，这块石面上纵横交错的裂纹，引起了他的注意，他发现它们是两组典型的剪刀节理，很有意义，后来被拍成照片，收集在《地质力学概论》里。1956年，李四光在大连疗养，一天偶过马兰桥，被白云山庄周围奇异的地形所吸引，半环状的山沟和山冈，围绕着中央高地，一个套一个寰列起来，经过他深入实地的考察，发现了一个典型的莲花状构造。李四光研究问题不限于实验室，课堂上或书斋里，逛公园、散步、养病，都是他思考问题的良好时间。直到晚年，他依然保持这种习惯。紫竹院旁的小路，卧佛寺的林荫道、他住宅旁的古银杏树下，都是他经常散步、小憩、思考问题的地方。他随身带有一个小本子，思有所得，及时记录下来。
李四光一生的科学活动的特点，就是紧密地联系实际，从实践中来，到实践中去。他认为自然界是地质工作的最好课堂，那里是发展理论，验证理论的最好场所，“那些空讲大道理，不能用来解决实际问题的理论，是脱离实际的，是没有用处的，也是不成其为理论的。”真正的理论是要经得起实践检验。
在20年代以前，中外地质学家均认为中国第四纪无冰川发育。这个结论是否符合客观实际呢？李四光认为“这一类问题，不要寄希望仅仅从理论上的争辩得出真理”“任何为了搞清这个问题的尝试，还须在野外进行”，“事实胜于雄辩”，实践出真知，而不是根据某个人如何说而定。“如果根据我们自己的仔细观察和研究，证明中国没有冰川，无论世界上多么高明的学者，多么大的理论，怎么说，都没用是没用，就是没有；如果事实说明有冰川，谁说没有也不行。”当1921年，他在太行山东麓和大同盆地，发现了冰川遗迹，受到冷嘲热讽和反对时，李四光没有停留在他们作空洞的口舌之争，而是深入实际调查研究，埋头工作。他先后深入庐山、黄山、九华山等地，进行实地调查，发现了大量的冰川遗迹确据。十年之后，他又发表了几篇论文，以确凿的事实，论证了中国第四纪冰川的存在。他说：“强有力的事实说明长江流域在第四纪中确有冰川存在”，“从实地观察到分析推理，两方面都使我坚信第四纪冰川绝非局部现象”。他的《冰期之庐山》一文，证据确凿，论述严谨，是第四纪冰川的代表作，至今为人们所称道。奠定了我国第四纪冰川的基础。使得那些国内外持怀疑态度的人，消除了怀疑；反对者在事实面前也不得不承认中国第四纪冰川的存在。
李四光创建的地质力学理论，也不是从文献到文献，把现成的理论作些修补，逻辑推理的产物；而是通过长期的实践，在思想上、理论上、方法上的一次创新。他通过南北方石炭二叠纪地层对比，发现海水进退的规律；从海水进退的规律，追溯到岩石圈的形变，力的作用方式，把力学引进地质学之中。他每一时期的研究课题，都是从实践中提出来的，然后又返回到实践中去，在实践中建立了他自己的地质学理论。
李四光晚年，身患动脉瘤，随时有破裂致命的危险。但他依然抓紧一切机会，亲自参加科学实践。他经常重复毛主席的一句话，要想知道梨子的滋味，就得亲口尝一尝。他以80岁的高龄，亲赴延庆山区观察地质构造，亲临邢台考察地震，还和青年科学工作者一起参加地应力解除试验。他经常把从实地调查回来向他汇报情况的同志，称之为“送上门来的老师”。
李四光告诫青年科学工作者，要重视实践，重视野外观察，要亲自动手。他说做科学工作，不但“要动脑子同时也要动手。如果只动脑而不动手，那就不可能得心应手地去解决许多复杂而具体的问题”。对典型的地质现象“要反复看，多方面提出设想，有一点不放心，就不能放手，这一点很重要。要能从正反两个方面解释现象，不要轻信，要自己去实践”。这一切都充分体现了李四光尊重实践，向实践学习的一贯精神。
拉普拉斯说过：“认识一位巨人的研究方法，对科学的进步……并不比发现本身少有用处。”李四光的治学精神，治学态度，治学方法以及他的很多优秀品质，同他的科学著作一样，也是一份可贵的精神财富。李四光曾这样说过：“我们不能不承认人家的文化程度比我们高，艺术比我们精。人家已经开辟到十分田地，我们的一块肥土，还在那里荒着。请他们来做好了，再拱手奉还我们，世界上恐怕没有那么好的事，我们唯一的希望是依靠我们自己，鼓起勇气，举起锄头向前挖去。”
