大约是在1946年，经西南联大物理系教授吴大猷的遴选和力荐，李政道获国家奖学金，乘船赴美留学。由于战乱的原因，20岁的李政道还没有大学文凭，只能先当非正式生。因他考试成绩突出，在美籍意大利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者恩利克·费米的赏识和帮助下，被破格录取为芝加哥大学研究生，‌跟随费米教授攻读粒子物理学博士。

费米一生主要从事统计物理、原子物理、原子核物理、粒子物理等方面的研究，晚年主攻高能物理。他每星期都要花上半天时间，同李政道一对一地讨论。他要求李政道对所有物理问题都要独立思考，提出自己的看法。李政道回忆说：“有一天费米同我讨论太阳的物理结构。他问我，太阳中心的温度是多少？我说大概是1000万度。费米问我是怎么知道的？我说有文献记载。费米又问，你自己计算过吗？我说没有。”费米说：“这不行，你必须自己计算，不能未经验证引用别人的成果。”为此，费米花了一周时间，帮李政道做了一把六七英尺长的大计算尺，一拉就能方便地计算出太阳中心的温度，差不多就是1000万度。这把尺子，可能是世界上唯一专门用来计算太阳温度的计算尺。

李政道说，当时费米的课题是电子和中子实验，和太阳温度一点关系都没有。但为了让学生懂得，做学问不能盲目接受他人的结论，所用的公式和数据，都必须是自己独立推导并验证过的，因此做了这把大计算尺。费米讲求亲自实践的榜样力量和他所尊崇的自力更生精神，让李政道一生受益匪浅。