中學畢業後，丁肇中被保送台灣成功大學，在大學裏他學習更加勤奮、更加踏實。大學第一個暑假，丁肇中開始反複思索著自己的前程，開始不安心於學機械工程，物理學的廣闊天地令他心馳神往，他決定把自己的一生獻給物理學。
丁肇中的父親深知，機械工程學好學壞都有飯吃，物理學卻需要上等人才，要有極好的天賦，才能立足於世界。但當他看到兒子的堅毅自信時，便毅然表示支持。母親也鼓勵他：“你要記住一點，不管你學哪一行，你一定要成為那一行的佼佼者。”父母的大力支持，為他轉修物理學增加了動力。
不久，父親在密歇根大學的師友——密歇根安大學工學院院長布朗教授到台灣訪問，答應為丁肇中去美國念書提供條件。丁肇中聽了，高興萬分，盡管前途渺茫，但他深信：“隻要把穩舵，海闊天空任我遨遊的日子是會來臨的。”
不久，丁肇中赴美國學習。在異國的城市，除了上課、做實驗，課下他還要掙錢維持生活。經過三年的努力，丁肇中獲得了數學和物理學碩士學位。後來，丁肇中又在密歇根大學物理研究所攻讀了兩年，提前獲得博士學位。進研究所的第一個夏天，有兩位教授正在進行一項暑期實驗工作，缺少一名助手，丁肇中應邀參加了實驗。從此，他與實驗物理結下了不解之緣。博士畢業後，他選擇了哥倫比亞大學的尼文斯實驗室。在努力鑽研兩年以後，他發現了重氫分離子，第一次獲得自己的實驗成果。
隨後，丁肇中前往日內瓦歐洲核子研究中心工作，與可可尼教授共事。可可尼教授分析問題清晰簡明的方式和選擇研究課題的敏銳洞察力使丁肇中深受啟發。一年後，他又回到哥倫比亞大學。他珍惜時間，虛心好學，善於從別人的經驗和成果中吸取營養，加上他敢於質疑，善於分析，敢於革新創造，從而形成了自己獨特的研究風格。他參加了一流物理學家李昂·黎德曼主持的實驗組，發現了“抗氫同位素”，在物理學界初露鋒芒。
當時，劍橋大學的一次意外實驗，似乎揭示了違反量子電動力學的反常現象，引起了各方的矚目。丁肇中決定研究這個明顯的反常現象。
他仔細製訂了計劃，準備詳細地加以複查。丁肇中以驚人的毅力，僅僅用了半年時間就證實了量子電動力學的正確無誤，澄清了從前未能澄清的問題。丁肇中因而在國際實驗物理學界取得了一席之地。
為了尋找與光子類似的各種長壽粒子，丁肇中采用了高能光子衝擊核子的方法，同時親自設計了一個具有極精細的質量分辨能力的探測器進行實驗。他夜以繼日地用一部300億電子伏特質子加速器尋找新的粒子，一踏進實驗室常常忘記了時間。終於，在高能加速器的質子碰撞實驗中，他發現了一個新的粒子，即“J”粒子。“J”粒子是原子核中已發現的幾百種粒子中重量最大、壽命最長的一種，“它的壽命比其他粒子長一萬倍”。為了慎重起見，他又經過兩個月的無數次實驗，反複核實，最後證實確鑿無誤，才向全世界宣布這一偉大的發現。
“J”粒子的發現，轟動了沉寂十多年的高能物理學界。這是近數十年來高能物理學界最重大的發現，為人類開拓了宇宙未知的領域。1976年，丁肇中和裏希特共同獲得了諾貝爾物理學獎。
丁肇中在榮譽麵前沒有止步，而是更勤奮地繼續攀登新的科學高峰。他說：“我完全靠工作來激發充沛的精力，工作就是我的興趣，興趣使我不會疲倦。”1977年丁肇中被選為美國國家科學院院士，這是美國科學家所能獲得的最高榮譽。