春去夏來，天氣逐漸轉暖了。李四光和丁燮林、王世傑一行，於1920年5月回到了北京，就任北京大學地質係教授。
北京大學當時坐落在內城景山之東，清末京師大學堂舊址。文科、法科在北河沿，理科在馬神廟。北京大學自從1917年蔡元培任校長之後，仿效歐美，對校製進行了一番改革。將原有的文科、理科、法科各門，改組為若幹個係，先後設立的有哲學、中國文學、英國文學、法國文學、德國文學、俄國文學、史學、數學、物理學、化學、地質學、經濟學、政治學、法律學14個係。聘請了不少當時知名的人士來校任教。學校還成立了立法機關“評議會”，為全校決策機構，評議員從教授中投票選出，實行教授治校。蔡元培認為大學應是“囊括大典，網羅眾家”的學府，主張各派學說“兼收並容”，“以期各種學術之溝通”。因此，他把一所原以“中學為體，西學為用”的改良主義的舊式大學，改造成為提倡“民主與科學”的近代資產階級的大學。
當李四光和丁燮林、王世傑來到學校報到時，蔡元培校長特約集了學校各方麵的負責人，和許多老師，在二道門前迎接。李四光等人走進來時，蔡元培迎了上去，互相問候，並向前來的人員一一做了介紹。李四光對蔡元培誠摯敬人的作風，很為欽佩。
北京大學在1917年以前，曾在理科內設有地質門和采冶門。地質門一度停辦，1918年重新恢複，並與采冶門合並成立地質學係。地質係設在馬神廟北京大學第二院，即理學院內。馬神廟是一個舊廟宇，房子破爛不堪，地質係的實驗室、桌子、椅子都不合規格。這時有一、二、三、四年級學生各一班，共有60多人，其中一年級新生27人、二年級19人、三年級8人，四年級畢業班8人。教授有主講經濟地質的何傑，主講礦物學的王烈，講師、助教若幹人，何傑擔任係主任。1920年新聘的教授除李四光外，還有美籍猶太人葛利普，他主講古生物學，並兼任地質調查所古生物研究室主任。李四光主講岩石學和高等岩石學兩門課程。
李四光到北京大學後，先住在地安門內東吉祥胡同；以後他在三眼井西口外北邊造了一所宅子。辦公的地方在理學院大禮堂東邊的一個小房子內。
李四光除了所開的兩門課程，再加上實習，每周授課23個小時，他治學態度嚴謹。講課前，總要參考大量書籍資料，編寫提綱，準備掛圖和實物標本等，一絲不苟。他教書和當時一般的教學方法不同，不是紙上談兵。他除了在課堂上給學生講解理論知識外，還常常親自帶學生到陳列室去看各種岩石標本。他對學生們的要求也很嚴格，特別注意基礎知識和基本功的訓練。從岩石的肉眼識別，到顯微鏡下觀察和辨別不同岩石的結構和性質，以及進行全麵的化學分析，都要求學生自己去做，並能夠掌握。他以親身體驗，教育鼓勵學生不僅要學好岩石學，而且還要學好地層學、古生物學、礦物學和地質構造學，同時還要學好數理化。他的考試方法也同當時一般老師不一樣，除了出幾道題，要求學生在考卷上答複之外，還發給每個學生六七塊編有號碼的岩石標本，要求學生寫出每塊標本的名稱、礦物成分、生成條件和礦產的關係等等，來測驗學生掌握的實際知識。這樣的考試，比答試題要難得多。如果平時不重視實驗觀察和野外實踐，那麼麵對這些岩石就不可能做出正確的解答。第一次經過這樣的考試之後，同學們都說：“我們的李老師教學真不錯，要求真嚴格呀！”
野外觀測是地質工作的基礎。李四光告訴學生們，自然現象一般都是很複雜的，一定要由近及遠，由簡入繁，按這樣的程序工作。他經常帶著學生到北京西山等地區進行實地教學，邊看邊講，一個山頭，一條溝穀、一堆石子、一排裂縫，他都不放過。有時還不斷提出問題，啟發同學們的觀察興趣。地層層序、走向傾角、斷裂方位，他都要求大家實測，並記在野外觀測本上。岩石、礦物、化石都要采集標本，注明地點。每次野外回來，各人的背包都裝得滿滿的。有一次李四光帶學生在西山楊家屯煤礦實習，晚上回到住地，高年級學生楊鍾健興致勃勃地背回來一塊含有植物化石的大石頭，李四光感到很高興，風趣地對楊鍾健說：“你這是‘戴月荷石歸’”。經過幾次野外采集，係裏的標本就多起來了。李四光又帶著學生，歸類整理，貼上標簽，陳列在實驗室裏。那時北京大學沒有汽車，野外實習都是步行，李四光總是走在前麵，他走得很快，許多學生都跟不上。一次到西山三家店實習，趕火車已經很晚，到北京城已經是萬家燈火了，李四光還寫了一首很有意義的新體詩，發表在北京大學的《日刊》上。
由於學校經費不足，地質係學生的野外實習受到了限製。當時地質係的房屋也很少，設備十分簡單。專用實驗室僅四十來平方米，隔成裏外兩間，外間擺設了一點礦物、晶體標本，叫礦物實驗室；裏間放了一些岩石、化石標本，作為岩石和古生物實驗室。上實習課時，兩個年級的學生30多人合在一起，圍著僅有的三架顯微鏡，擁擠不堪；看薄片時，每人隻能輪到兩三分鍾。學生們對這種狀況，很不滿意，迫切要求改變。李四光一到地質係，看到這種狀況，幾次找蔡元培校長，提出了一係列的計劃和建議。蔡元培對李四光的意見很尊重，表示支持，答應要努力設法解決。1921年11月，蔡元培邀請李四光列席評議會，討論地質旅行費的津貼問題，結果通過了“津貼地質旅行案”。同時，實驗經費也有所充實。地質係師生均感滿意。教學工作，學習氣氛都振作起來了。
李四光認為，良好的學習環境，對學生的學習是很有益處的，因此在這方麵他也非常關心。當時馬神廟院內，因久未清理，雜草叢生，頗顯荒蕪。學校決定要李四光擔任二院庶務工作。李四光曾在日本學過工程，對建築很熟悉。他帶著學生丈量麵積，繪圖設計，一齊動手建設起來。他們在院子中心，用石灰劃出一個圓圈，再劃出幾條放射狀的小道，分別通向大門、教室、禮堂等處。幾天之後，在院子中心就建起了一座高約一米半的圓形小石台，上麵安放了一架日晷；石台的四麵，各刻上一句話，正麵是“仰以觀於天文”，背麵是“俯以察於地理”，左側是“近取諸身”，右側是“遠取諸物”。圍著石台的小道，全用碎石鋪砌，兩旁栽上了冬青和刺柏。不久，院內布置得井井有條，顯得頗為雅靜。
對於畢業的青年學生的前途，李四光是十分關懷的。楊鍾健於1923年在北京大學地質係畢業，準備去外國留學。當時正是第一次世界大戰以後，德國馬克升值，生活費用很舒適，於是楊準備去德國。他寫信征求李四光的意見，李四光很高興，他感到當時中國還缺少研究古脊椎動物的專家，複信建議他最好選擇古脊椎生物專業，並為他介紹了導師。楊鍾健在德國明興學習時，李四光在信中，多次指示他要注意動物學和古脊椎生物學，這更加堅定了他學習古脊椎動物的信心。楊鍾健學成歸國後，畢生從事中國古脊椎動物化石的研究，成為我國最早在這方麵作了大量貢獻的，並在國內外贏得很高聲譽的科學家。後來，楊鍾健在《李四光老師回憶錄》中曾經感慨地說：“我一生的工作和李先生的這一指示是分不開的。”
李四光來到地質係之後，一麵教書，一麵進行著科學研究。他把備課、講課、帶學生實習，當作實踐的好機會。他不斷地積累資料，不斷地思考和研究問題。他一生中在地質學方麵的主要貢獻，如古生物□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。李四光在進行這些項目的科學研究時，始終掌握從現象深入到本質，從結果追索到原因的治學方法，因此能不斷地提出創造性的見解，並敢於向一些舊觀點提出挑戰。雖然不可避免的引起了某些爭論，但卻也因此而受到國內外專家們的重視。