Работы Капицы посвящены ядерной физике, физике и технике сверхсильных магнитных полей, физике и технике низких температур, электронике больших мощностей, физике высокотемпературной плазмы. В 1920 году совместно с
В 1924 году Капица предложил новый метод получения импульсных сверхсильных магнитных полей и изучал их влияние на различные физические свойства вещества. Установил в 1928 году закон линейного возрастания электрического сопротивления ряда металлов от напряжённости магнитного поля (закон Капицы). Создал новые эффективные методы ожижения азота, кислорода, водорода и гелия, сконструировал новые типы ожижителей (поршневые, детандерные и турбодетандерные установки).
В 1934 году построил ожижитель гелия детандерного типа с производительностью в сотни раз больше существующих в то время машин.
В 1939 году разработал и построил установку низкого давления для промышленного получения жидкого кислорода из воздуха. Турбодетандер Капицы заставил пересмотреть принципы создания холодильных циклов, используемых для ожижения и разделения газов, что существенно изменило развитие мировой техники получения жидких газов.
Разработав технику получения жидкого гелия, Капица изучил его свойства. В ряде своих экспериментов показал, что при температуре ниже критической (2.19 К) вязкость жидкого гелия становится чрезвычайно малой (открытие сверхтекучего гелия II), и обстоятельно изучил свойства жидкого гелия в этом новом состоянии. В частности показал, что он состоит из двух компонентов — сверхтекучей и нормальной. Эти исследования легли в основу квантовой теории жидкого гелия, разработанной Л. Д. Ландау.
В 1941 году наблюдал скачок температуры на границе «твёрдое тело — жидкий гелий» (температурный скачок Капицы).
В 1978 году за фундаментальные исследования в области физики низких температур удостоен Нобелевской премии.
В 1942 году, будучи со своим Институтом физических проблем в эвакуации в Казани, отказался участвовать в начавшемся там проекте создания атомной бомбы.
В послевоенный период внимание Капицы привлекает электроника больших мощностей. Развил общую теорию электронных приборов магнетронного типа и создал магнетронные генераторы непрерывного действия. Выдвинул гипотезу о природе шаровой молнии. В 1959 году опытным путём обнаружил образование высокотемпературной плазмы в высокочастотном разряде.
Многие работы Нобелевского лауреата Капицы посвящены также истории физики и организации науки.
Петр Леонидович Капица скончался за три месяца до девяностолетия. Похоронен на 10-м участке Новодевичьего кладбища в Москве.