Одним из основных результатов проведенных П. Л. Капицей исследований изменений физических свойств вещества в сильных магнитных полях явилось открытие им линейного закона для зависимости от магнитного поля электрического сопротивления ряда металлов в очень сильных магнитных полях. Этот закон, открытый им в 1928 г., нашел теоретическое объяснение лишь спустя 30 лет, когда была обнаружена сложная топологическая структура поверхностей Ферми в металлах.

Петром Леонидовичем была исследована магнитострикция пара- и диамагнитных веществ в сильных магнитных полях и открыта аномально большая магнитострикция монокристаллов висмута. Он обнаружил очень сильную анизотропию этой магнитострикции: при наложении магнитного поля вдоль тригональной оси висмут растягивался в направлении поля, а в поле, приложенном перпендикулярно оси — сжимался. П. Л. Капица исследовал также эффект Зеемана в сильных магнитных полях и наблюдал эффект Пашена — Бака.

Дальнейшая научная деятельность П. Л. Капицы связана с физикой низких температур. И здесь он начал с критического рассмотрения существовавших тогда методов получения низких температур и разработал новую оригинальную установку для ожижения гелия. В этой установке П. Л. Капице удалось избавиться от необходимости предварительно охлаждать гелий жидким водородом. Вместо этого гелий в его установке охлаждался, совершая работу в специальном расширительном детандере. Особенность этого поршневого детандера состояла в том, что смазку в нем осуществлял сам газообразный гелий.

Практически все изготовляемые в последнее время ожижители гелия строятся по принципу, предложенному П. Л. Капицей. Для проведения исследований в сильных магнитных полях и при низких температурах в Кембридже была построена специальная лаборатория им. Монда Лондонского Королевского общества, директором которой был назначен П. Л. Капица.

В 1934 г. П. Л. Капица возвращается в Москву и организует здесь Институт физических проблем, в котором продолжает исследования в сильных магнитных полях и по физике и технике низких температур.

В области техники низких температур Петр Леонидович разрабатывает новый метод ожижения воздуха с циклом низкого давления, в котором используется специальный турбодетандер, обладающий высоким коэффициентом полезного действия.

Разработанный П. Л. Капицей высокоэффективный радиальный турбодетандер с к.п.д. в 80-85% предопределил развитие во всем мире современных крупных установок разделения воздуха для получения кислорода, использующих только низкое давление.

В Советском Союзе работают и строятся мощные воздухоразделительные аппараты с использованием низкого давления, производительностью от 10 000 до 65 000 кубических метров кислорода в час. В промышленно развитых странах Запада на воздухоразделительных установках низкого давления, т. е. с использованием турбодетандеров типа, предложенного П. Л. Капицей, в 1970 г. было добыто около 53 млрд. кубических метров кислорода. Около половины получаемого кислорода используется в черной и цветной металлургии. Помимо металлургии кислород широко используется в химической промышленности и ракетной технике.

Здесь уместно отметить, что работы П. Л. Капицы по сверхсильным полям и ожижителям, демонстрируют редкое сочетание в одном человеке крупного ученого и инженера.

Петр Леонидович — одним из первых использовал в лаборатории крупные современные технические агрегаты и в то же время переносил последние достижения физики непосредственно в практику. Это было начало того процесса, который теперь развился в полной мере и является характерной чертой современной научно-технической революции.

В области физики низких температур П. Л. Капица начинает серию чрезвычайно изящных экспериментов по изучению свойств жидкого гелия. Результатом этих экспериментов было открытие Петром Леонидовичем в 1937 г. сверхтекучести гелия. Им было показано, что вязкость жидкого гелия при температуре ниже 2,19° К при его протекании через тонкие щели во столько раз меньше вязкости любой самой маловязкой жидкости, что она, по-видимому, равна нулю, и поэтому он назвал такое состояние гелия сверхтекучим. В ходе исследований аномальных свойств жидкого гелия П. Л. Капица поставил ряд необычайно тонких и наглядных экспериментов, доказывающих совершенно необычные свойства жидкого гелия при температуре ниже 2,19° К.

Работы П. Л. Капицы по изучению свойств жидкого гелия — блестящий образец подхода настоящего физика-экспериментатора к разрешению сложной проблемы. Когда читаешь его статьи, получаешь эстетическое удовольствие, следя за тем, как шаг за шагом, ставя все новые эксперименты, Петр Леонидович приходит к фундаментальному открытию сосуществования в гелии двух жидкостей с совершенно различными свойствами, которые могут двигаться навстречу друг другу.

Это открытие положило начало развитию совершенно нового направления в физике, а именно квантовой физике конденсированного состояния. Для его объяснения пришлось ввести новые квантовые представления — так называемые элементарные возбуждения, или квазичастицы.

В процессе исследований теплопередачи в жидком гелии Петр Леонидович установил также следующий важный факт: при передаче тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникает скачок температуры, величина которого сильно растет с понижением температуры — так называемый скачок Капицы. Это также показало необходимость квантового подхода к описанию, казалось бы, столь классического явления, как явление переноса.

В конце 40-х годов П. Л. Капица обращается к совершенно иному кругу физических задач — к вопросу о создании мощных генераторов СВЧ колебаний непрерывного действия. Петру Леонидовичу удалось решить сложную математическую задачу о движении электронов в СВЧ генераторах магнетронного типа.

На базе этих расчетов он конструирует СВЧ генераторы нового типа — планотрон и ниготрон. Мощность ниготрона составляет рекордную величину — 175 квт в непрерывном режиме. В процессе изучения этих мощных генераторов П. Л. Капица столкнулся с неожиданным явлением — при помещении колбы, наполненной гелием, в пучок излучаемых генератором электромагнитных волн в гелии возникал разряд с очень ярким свечением, а стенки кварцевой колбы плавились. Это навело Петра Леонидовича на мысль, что применяя мощные СВЧ электромагнитные колебания, можно нагреть плазму до очень высоких температур.