四光到北大地質系后，主講岩石學和高等岩石學兩門課程，他以嚴謹的冶學作風贏得了學生的尊重。他經常帶學生到野外進行實地教學，邊看邊講。一個山頭、一個溝谷、一堆石子、一排裂縫，他都不放過。學校經費不足，他帶領學生白手起家搞建設，將學習環境收拾得十分雅靜。 在教學的同時，他對研究工作也不放鬆，他一生中在地質學方面的主要貢獻，如古生物蜒科的鑒定方法、中國第四紀冰川的發現和地質力學的創立，都是在這期間開始的。在研究過程中，他從不為已有的觀點和學說所束縛，而是按照自然規律，去尋找尚未被人們認識和掌握的真理。因此，他能不斷提出創造性的見解，並敢於向一些舊觀點提出挑戰。 李四光著作
例如，從19世紀以來，就不斷有德國、美國、法國、瑞典等國的地質學家到中國來勘探礦產，考察地質。但是，他們都沒有在中國發現過冰川現象。因此，在地質學界，“中國不存在第四紀冰川”已經成為一個定論。可是，李四光在研究蜒科化石期間，就在太行山東麓發現了一些很像冰川條痕石的石頭。他繼續在大同盆地進行考察，越來越相信自己的判斷，於是，他在中國地質學會第三次全體會員大會上大膽地提出了中國存在第四紀冰川的看法。到會的農商部顧問、瑞典地質學家安特生輕蔑地一笑，予以否定。 為了讓人們能接受這一事實，他繼續尋找更多的冰川遺迹。10年以後，他不僅得出廬山有大量冰川遺迹的結論，而且認為中國第四紀冰川主要是山谷冰川，並且可劃為三次冰期。 當李四光的這個學術觀點再次在全國地質學會上發表以後，引起了1934年著名的廬山辯論。在半封建半殖民地的舊中國，中國的科學家低人一等，外國學者中有相當一部分人是帶着民族主義和種族歧視情緒到中國來的。因此，儘管大量事實擺在眼前，幾位外國學者並沒有改變他們的觀點。 1936年，李四光又到黃山考察，寫了“安徽黃山之第四紀冰川現象”的論文，此文和幾幅冰川現象的照片，引起了一些中外學者的注意，德國地質學教授費斯曼到黃山看罷回來讚歎道：“這是一個翻天覆地的發現。”李四光十多年的艱苦努力，第一次得到外國科學家的公開承認。可是，他知道，這還遠遠不夠，他乾脆把家搬到廬山上，又在廬山腳下建立了一個冰川陳列館，起名叫“白石陳列館”（后被國民黨海軍炸毀）更深入細緻地進行冰川研究。 李四光關於冰川的多年研究，在1937年完稿的《冰期之廬山》中得到全面闡述。可惜由於抗戰爆發，這部書10年後才得以出版。