1933年11月，中國地質學會第十次年會在北京舉行。李四光以《揚子江流域之第四紀冰期》為題，做了學術演講。在講演中，他詳細地論述了廬山地區的第四紀冰川遺跡。當時參加講座的中外地質界著名人士有翁文灝、北大地質係教授謝家榮、楊鍾健、葛利普、德日進、德國地質學家尼斯特拉姆、瑞典地質學家諾林等。他們大都對中國有第四紀冰川持懷疑態度。會後，由翁文灝、丁文江籌集了一筆錢，於1934年春邀請英國地質學家巴爾博、德日進、諾林等外國學者，到廬山考察。中國地質學者，除丁、翁二人，還有李四光、喻德淵、楊鍾健等人。李四光以主講人身份，引著中外學者，觀看了冰川遺跡，一一講述了自己的見解。在實地觀察中，許多人對這裏的奇特地形表示驚訝。諾林私下告訴李四光說：假如這些現象在我家鄉發現，毫無疑問是冰川造成的。巴爾博、德日進仍持反對觀點，他們以未發現冰期生物群化石，斷定無第四紀冰川的存在。他們認為廬山地區的泥礫堆積，是岩石碎塊在潮濕情況下緩慢流動的產物，純屬融凍泥流之類。對於這些，李四光當然不能同意。這場討論，由於對方偏見和缺乏探討問題的態度，沒有什麼結果。這使李四光更加感到，為了打破這些“科學懷疑派”所屬守的舊觀點，很必要有把問題引向廣泛深入的討論。
1936年5月，李四光赴黃山考察，發現了長江下遊確有第四紀冰川活動的證據，並用英文寫成《安徽黃山之第四紀冰川現象》一文，發表在《中國地質年會誌》上。這篇論文雖然不到三千字，卻引起了中外學者們的極大注意。當時，在南京中央大學任教的德國知名冰川學專家費斯曼，讀了李四光的文章大為吃驚，專門兩次去黃山看冰川遺跡。回來後，費斯曼高興地連聲說：“看到了，看到了，這是一個翻天覆地的發現。”並立即給德國的土壤冰川雜誌寫了文章。李四光對中國第四紀冰川的貢獻，第一次得到外國科學家的公開承認。
黃山第四紀冰川遺跡發現之後，李四光仍不滿足已獲得的材料，於1936年7月，再赴廬山考察，獲得了大量的證據。李四光認為：“至是，中國冰期冰川現象，始得謂之確定。”“客之懷疑冰川現象者，至此可以渙然冰釋矣”。1937年，李四光將在廬山考察所得，寫成《冰期之廬山》。這一部科學專著，全麵係統地論述了廬山地區的第四紀冰川遺跡，劃分了冰期與間冰期；並與歐洲阿爾卑斯地區作了對比，為我國第四紀冰川地質的研究打開了大門，作出了範例。經過20多年的論戰，李四光終於以自己的大量實證，推翻了西方資產階級“探險家”們的錯誤結論。肯定冰川遺跡的存在，不僅對地質學、地理學、人類學的研究有很大的貢獻，而且對在社會主義建設中找礦、找水、築路、架橋等工程建設，也有很大的價值，也為氣候學的研究揭開了新的篇章。
對地質力學的研究和學科創建，是李四光一生用的心思最多，付出的勞動最大的一項工作，這也是他一生科研活動中貢獻最大，在地質科學領域裏影響最廣的一門學科。這門學科的創建為研究地質現象，特別是構造現象的發生發展、相互聯係、複合轉化以及改造與建造的相互關係等等，提供了一個嶄新的方法，為研究地殼運動問題，開辟了一條新的途徑。為人們認識自然和改造自然，都起著重要作用。
18世紀以前的地質學，由於它的研究方法停留在直觀和猜測上，因此沒有超出礦物學的胚胎階段，甚至還深深禁錮在神學之中。後來，德國地質學家維爾納創立的“水成論”逐漸發展起來，在地質學中占了統治地位。這個學派，總結了當時的礦物學、岩石學知識和地質時代劃分的知識，並予以係統的分類，這對地質學的發展起到一定作用。但在地質概念上，他們片麵地認為，地殼中所有岩石和礦石都是在水中沉積而成的。同時，在思想體係上仍然沒有擺脫神學的影響。
作為科學的地質學發源於18世紀的歐洲。18世紀末葉到19世紀30年代被稱為“地質學的英雄時代”，這是因為在方法上和理論上都有了重大的進展。歐洲工業革命的蓬勃興起，使礦業的開發、運河的開掘、路基的開挖日益擴大，揭露出地下各種岩石和大量的化石，為地質學的發展提供了豐富的資料。在這個基礎上建立了將今論古法和化石對比法，為地質學從神學中解放出來開辟了道路，湧現出赫頓、史密斯、居維葉、賴爾、魏格納等一大批地質科學家和地質科學理論。
李四光對地質力學的研究在始於20世紀20年代初期。關於大陸運動起源的非常爭論激烈非常，各個學派，以至於每個放眼世界的地質工作者，都紛紛提出自己的看法，形成了眾多派別。李四光把它們概括為兩大派別：一是傳統學派，認為地球在長期存在過程中，由於逐漸失熱或其他原因而收縮，以致海洋部分，如太平洋等，發生了顯著的沉降。而大陸部分，總的趨勢，也朝著地心沉降；但在局部地區，由於收縮沉降的速度不同，發生相對上升和下降運動，因而發生了褶皺和斷裂現象。這一學派的觀點，主張以垂直運動為主，水平運動為次，水平運動是由於垂直運動派生出來的。
另一學派認為，地殼運動以水平運動為主的大陸漂流學派。他們在認識了均衡現象的基礎上，認為主要由矽鋁層構成的大陸，是浮在由矽鎂層構成的基底上麵的，並且認為大陸部分能夠在它的基底即由矽鎂層構成海底上麵，發生水平滑動，造成大規模的相對水平位移。在大陸漂移學派中，又分幾個支派。其中最引人矚目的是奧地利地球物理學家魏格納的大陸漂移說。這一派綜合運用地球物理學、地層學、古生物學、古氣候學和大地測繪學等各種辦法，總結運用地學各領域的資料，對大陸漂移提出比較有係統的證據，認為現今各大陸原是一個統一的原始大陸，後來在某些地質時代，地球表麵上古氣候帶的巨大變化，使這塊大陸分裂漂移，逐漸地形成了今天的狀態。所以，大西洋東西兩岸的海岸線形狀相似，假若把它們拚湊一起，可以吻合起來；南北美大陸和歐非大陸，特別是非洲大陸和南美大陸上，某些同時代的古生物群之間有密切的聯係；南非洲和南美洲某些沉積建造的特點，具有極大相似性。
另一支派，如約裏提出了關於矽鋁層岩石的放射性作用和大陸表麵形狀之間關係的問題。根據約裏在矽鋁層中采取的若幹岩石中，有代表性的岩石的放射性礦物的含量，可以推算出矽鋁層中，由於放射性物質的自然爆裂，而每年產生的熱量。這個熱量，有一部分在地球的表層以下蓄積起來，經過約2500萬年至3000萬年的時間，大陸下層的岩石，就會被積存起來的熱量所熔解。在大陸下部熔解的狀態下，由月球影響而產生的潮汐，對於大陸起了拖移的作用，大陸於是發生漂移，向著海洋方向移動，露出了大陸的基底，它就逐漸冷卻了。這樣，就會造成一次大規模的地殼運動。之後，新的構造運動旋回又從此開始。
第三個支派，認為地球內部不斷發生對流，輕的物質向上運動，較重的物質向下運動。向上的物質有的發生平流，因而在某些地帶把大陸拖開，使地殼分裂，海洋從而侵入，在分裂的那一麵，大陸留下張裂的痕跡，例如北美和西歐海岸以致內陸，就遺留有因這種拖移而被拉斷了的古生代山脈。在另一方麵，大陸碰到了海底較硬和較重的矽鎂層的抵擋，隨即發生了大規模的擠壓現象。由擠壓而產生了大型的地槽，以及由地槽轉變而來的雄巍山脈。
在當時各派的紛爭影響下，李四光寫了《地球表麵形象變遷之主因》一文，在1926年5月召開的中國地質學會第四次年會上做了演講。他在批評了一些傳統學派的同時，對主張以水平運動為主的理論，給予很高的評價。認為這一理論，是“革命性理論”，“是不可忽視的寶貴財富”。但他也指出以水平運動為主的理論，對於全麵解釋地球表麵形象的變遷，仍有不足之處：沒有能夠回答地殼運動的方向，無法說明使地殼運動的根本原因，或所需要的力。
針對實際存在的這些問題，李四光依據地球這個旋轉體的力學分析和計算，運用當時掌握的若幹地質事實，推論了地殼運動的方向和起源。
地球自轉時，其扁度隨著轉速的增加而增加。在轉速增加到一定程度的時候，球體表麵的物質，整體的被水平力推向赤道。按照力學原理計算，這個力是從兩極至南、北緯45度不斷加大，然後從這個位置向赤道逐漸減小，在赤道和兩極均為零。也就是說，在高緯度一般表現為張力，在低緯度則為擠壓。所以在南北半球連續伸展的大陸上，產生走向大致與赤道平行的長條山脈，乃是一個必然的結果。在歐洲大陸上，有阿爾卑斯、比利牛斯、喀爾巴阡和高加索山脈，這些都是東西走向的高峻山脈。其南側，伴隨著較小的山脈，從非洲的西北角經過西西裏、希臘群島和小亞細亞半島而延伸。這些平行山脈以及夾在中間的山脈，是在阿爾卑斯運動中，由歐非大陸從南北兩方擠壓而成的，並且大致位於緯度45度左右，說明這個地帶是最大的變動地區。從高加索向東南追索，還有伊朗山脈、天山山脈、昆侖山脈，以及喜馬拉雅山、南嶺山脈等。
李四光以為，決定地殼運動方向的因素，不是地球自轉，而是地球自轉速度的變化，那麼，產生地球自轉速度變化的原因是什麼？李四光從動力學的觀點，提出是地球內部的重力作用。
這一理論的提出，使李四光成為中國地質學家以創造性的思想登上國際地質論壇，加入探討有關重大地質理論問題行列的第一個人。但李四光在談到地質力學發展過程的時候，曾經謙虛地說：在《地球表麵形象變遷的主因》中提出的理論，不是沒有一點實踐的基礎；但是，這樣立論，大體和其他各派的學說一樣，在方法論上存在著很大的缺點。主要是運用的資料不夠廣泛，不夠細致、不夠落實，而是片麵地抓住一些事實，或者若幹現象，參考一些第二手資料，就急急忙忙地提出大的理論來。實際上，這些理論是依據是不充分的。它們所依靠的證據，往往可以這樣解釋，也可以那樣解釋，不夠嚴謹，經不起推敲，李四光認為，這是一個很深刻的教訓，但同時也積累了一些有益的經驗，特別是對地殼運動的方向性有了進一步的認識，為以後地質力學的發展打下了初步的基礎。
當時，在場聽學術演講的，有一位美國地質學家叫維裏士，他傲慢地站起來說：“李四光教授所說的一些概念，在我的心裏並不存在。在這個地方，居然有人談論這些問題，使我甚為驚訝。”李四光心裏很清楚，維裏士這個人信奉的是傳統學派那一套，他的這種態度，不足為怪。維裏士還質問李四光：“你是在哪一個國家留學的，你的老師是誰？”對於這個問題，李四光認為同自己演講的內容毫無關係。因此隻是輕輕一笑，沒有給予答複。
為了進一步探索地殼運動問題，他把注意力轉向東亞及其他地點發現的大地構造現象組合的研究。地質力學對構造現象本質的認識，了解各種構造現象的相互聯係，是從認識一些個別的和特殊的現象開始的，也可以說是從認識“山字形構造”開始的。起初李四光見到烏拉爾那樣長長的、走向南北的強烈褶皺山脈，西邊有俄羅斯平原，東邊有西伯利亞平原。在烏拉爾山脈和東西兩大平原以南，還存在著相當複雜的一套弧形山脈。從高加索以西，向東到阿爾泰山係，都是這套弧形山脈所穿插的地帶。當時隻知道這些弧形山脈與烏拉爾山脈是同時產生的。但為什麼發生這樣組合形式的山脈？雖然它們之間距離很遠，走向也不一致，它們之間是否有成生聯係呢？這可以說是認識構造體係的萌芽。用李四光自己的話來說：“冒著很大的危險想打開一條思路，到實踐中去，驗證，這種構造型式或構造體係的概念，究竟行不行得通。”
1928年，李四光初次發現了寧鎮山脈為大致走向東西的弧形構造。弧頂位於鎮江一帶，向北凸出。在弧形構造南麵相當遼闊的平原中，出現一條茅山山脈。它伸展的方向是南北，並與寧鎮弧形山脈一起構成了一弓一箭的形象，形成了一個體係。這個體係的特征，基本上與烏拉爾山脈及其以南的複雜弧形山係所構成的構造體係是很相似的，不過方位相反而已。但兩者規模相差懸殊。寧鎮山脈和茅山構成的這個山字型構造，與烏拉爾山脈那個橫跨歐亞大陸的山字型構造，弧頂方向相反，一個向北，一個向南。寧鎮山——茅山山字型構造是自成一個係統呢？還是另一個體係的組成部分？隻有再經過更廣泛的實踐，才可能解決這個問題。同年，李四光在廣西地區也發現了由複式褶皺組成的弧形山係，弧頂位於賓陽縣，左翼以鎮龍山——徭山大背斜為主體；西翼以大明山背斜為主體。以後又在柳州以北古老的變質岩層中發現了南北向強烈折皺帶，確定為廣西山字型構造的脊柱。此外，他還發現了淮陽山脈也是一個弧型構造。