結束英國的學習後，李四光接受蔡元培先生的邀請來到了北京大學，進行地質學課程的教學工作和地質研究所的籌建工作。在這裏，他經常帶領學生到野外進行實地教學，一個山頭、一個溝穀、一推石子、一排裂縫都是他教學的對象，這樣嚴謹、細致的教學使學生們深入其境，得到了十足的好學問。不僅如此，李四光在教學的過程中也沒有放鬆自己的研究和疏忽自己研究所所長的責任。雖然搞地質研究經常要風餐露宿、長期奔波，而且研究所經費少、設備缺，但李四光仍然義不容辭，即使在抗戰時期，需要他經常輾轉奔波、清苦狼狽，他也毫無怨言，就連患上了心絞痛和肺結核，他也沒有絲毫放棄地質研究的工作。經過堅持不懈的努力研究後，李四光做出了意義重大的貢獻——發現並證明中國存在第四紀冰川，而且被世人公認。
提出見解
李四光挑戰舊觀點，大膽地提出了中國存在第四紀冰川的見解。
冰川的出現對全球氣候和生物發展有著無法估量的巨大影響，尤其是第四紀冰川，它是曆史上最近一次的大冰川期，直接作用於人類的生存環境，對於它的研究和確認，既存在特殊的理論意義，同時更具有普遍的現實意義，所以，長久以來，各國科學家都致力於找尋和研究第四紀冰川。而中國也是他們的找尋地，從19世紀以來就不斷有許多國外有名的地質學家到中國進行地質的考察、勘探，然而，始終無果，他們也就一致認為“中國不存在第四紀冰川”。
但是，李四光不像有些地質學家一樣被這些有名的外國科學論斷所束縛，盡管當時中國在這些方麵的技術和能力都比較弱。但在教學的同時，他依然會帶領學生野外考察、跋山涉水，慢慢地，對自己的研究和看法就有了更深入、更深刻的認識，所以，他並不認同當時已有的觀點和學說。
為了使自己的猜測更加清晰，李四光毅然去尋找當時並不為人們所認識、認同和掌握的內容。他在研究的時候完全跟著自然規律走，不為舊有的觀念所幹擾和影響，終於，在1921年發現了第四紀冰川的跡象。
在研究蜒科化石的時候，李四光曾經在中國太行山東麓沙河縣附近發現過與冰川條痕石很相似的石頭，因而他大膽並富有創造性地挑戰了地質學界的“中國無第四紀冰川”的觀點。為了證明自己的判斷，李四光前往大同盆地進行細致考察，結果使他越來越相信自己的判斷。
後來，在中國地質學會第三次全體會員大會上，李四光大膽地提出了自己關於中國“存在”第四紀冰川的判斷。然而，並沒有人相信他的說法，就連農商部顧問、瑞典地質學家安特生也輕蔑且堅決地否定了他的觀點。但是，這並沒有影響李四光的探索道路，相反使他更加努力致力於此。
證明第四紀冰川的存在
“如果這些遺跡是在國外被發現，早就被公認為冰川遺跡了。”