Наибольшую известность Капице принесли его новаторские экспериментальные исследования в области физики низких температур, создание техники для получения импульсных сверхсильных магнитных полей, работы по физике плазмы.

Работая в Кембридже Капица вплотную занялся исследованиями сверхсильных магнитных полей и их влиянию на траекторию элементарных частиц. Одним из первых Капица в 1923 году поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле и наблюдал искривление треков альфа-частиц. В 1924 году он получил магнитное поле с индукцией в 32 тесла в объёме 2 см3. В 1928 году сформулировал закон линейного возрастания электрического сопротивления ряда металлов от напряженности магнитного поля (закон Капицы)

 В 1932 Капица создал ожижитель водорода, в 1934 – ожижитель гелия, а в 1939 – установку низкого давления для промышленного получения кислорода из воздуха. В 1938 открыл необычное свойство жидкого гелия – резкое уменьшение вязкости при температуре ниже критической (2,19 К); это явление называют теперь сверхтекучестью. Эти исследования стимулировали развитие квантовой теории жидкого гелия, разработанной Л.Ландау.

Сам Капица в 1938—1941 годах продолжил исследования гелия-II, в частности подтвердив предсказанную Ландау скорость звука в жидком гелии.[49][39] Исследование жидкого гелия как квантовой жидкости (Конденсат Бозе — Эйнштейна) стало важным направлением в физике, давшим целый ряд замечательных научных работ.

Послевоенные научные работы Капицы охватывают разнообразные области физики, в том числе гидродинамику тонких слоев жидкости и природу шаровой молнии, но основные его интересы сосредоточивались на микроволновых генераторах и изучении различных свойств плазмы.

Интересный факт:

В 1921 году к художнику Борису Кустодиеву обратились двое молодых учёных с просьбой написать их портрет. Их аргументом было то, что Кустодиев рисует только знаменитостей, а они уверены, что тоже прославятся, пусть сейчас особо и никому не известны. Этими учёными были Пётр Капица и Николай Семёнов, будущие нобелевские лауреаты по физике и химии соответственно. В качестве гонорара они отдали художнику мешок пшена и петуха, полученных за ремонт мельницы.

Награды и премии

• Герой Социалистического Труда (1945, 1974)

• Нобелевская премия по физике (1978)

• Сталинская премия (1941, 1943)

• Золотая медаль им. Ломоносова АН СССР (1959)

• Медали имени Фарадея (Англия, 1942), Франклина (США, 1944), Нильса Бора (Дания, 1965), Резерфорда (Англия, 1966), Камерлинг-Оннеса (Нидерланды, 1968)

• 6 орденов Ленина, орден Трудового Красного Знамени

• Почётные лекции Rutherford Memorial Lecture (1969) и Bernal Lecture (1977) в Англии