结束英国的学习后，李四光接受蔡元培先生的邀请来到了北京大学，进行地质学课程的教学工作和地质研究所的筹建工作。在这里，他经常带领学生到野外进行实地教学，一个山头、一个沟谷、一推石子、一排裂缝都是他教学的对象，这样严谨、细致的教学使学生们深入其境，得到了十足的好学问。不仅如此，李四光在教学的过程中也没有放松自己的研究和疏忽自己研究所所长的责任。虽然搞地质研究经常要风餐露宿、长期奔波，而且研究所经费少、设备缺，但李四光仍然义不容辞，即使在抗战时期，需要他经常辗转奔波、清苦狼狈，他也毫无怨言，就连患上了心绞痛和肺结核，他也没有丝毫放弃地质研究的工作。经过坚持不懈的努力研究后，李四光做出了意义重大的贡献——发现并证明中国存在第四纪冰川，而且被世人公认。
提出见解
李四光挑战旧观点，大胆地提出了中国存在第四纪冰川的见解。
冰川的出现对全球气候和生物发展有着无法估量的巨大影响，尤其是第四纪冰川，它是历史上最近一次的大冰川期，直接作用于人类的生存环境，对于它的研究和确认，既存在特殊的理论意义，同时更具有普遍的现实意义，所以，长久以来，各国科学家都致力于找寻和研究第四纪冰川。而中国也是他们的找寻地，从19世纪以来就不断有许多国外有名的地质学家到中国进行地质的考察、勘探，然而，始终无果，他们也就一致认为“中国不存在第四纪冰川”。
但是，李四光不像有些地质学家一样被这些有名的外国科学论断所束缚，尽管当时中国在这些方面的技术和能力都比较弱。但在教学的同时，他依然会带领学生野外考察、跋山涉水，慢慢地，对自己的研究和看法就有了更深入、更深刻的认识，所以，他并不认同当时已有的观点和学说。
为了使自己的猜测更加清晰，李四光毅然去寻找当时并不为人们所认识、认同和掌握的内容。他在研究的时候完全跟着自然规律走，不为旧有的观念所干扰和影响，终于，在1921年发现了第四纪冰川的迹象。
在研究蜒科化石的时候，李四光曾经在中国太行山东麓沙河县附近发现过与冰川条痕石很相似的石头，因而他大胆并富有创造性地挑战了地质学界的“中国无第四纪冰川”的观点。为了证明自己的判断，李四光前往大同盆地进行细致考察，结果使他越来越相信自己的判断。
后来，在中国地质学会第三次全体会员大会上，李四光大胆地提出了自己关于中国“存在”第四纪冰川的判断。然而，并没有人相信他的说法，就连农商部顾问、瑞典地质学家安特生也轻蔑且坚决地否定了他的观点。但是，这并没有影响李四光的探索道路，相反使他更加努力致力于此。
证明第四纪冰川的存在
“如果这些遗迹是在国外被发现，早就被公认为冰川遗迹了。”
“这是一个翻天覆地的发现。”
为了让人们接受中国存在第四纪冰川的事实，李四光继续找寻更多的冰川遗迹，他带领学生和研究人员翻山越岭、不辞辛苦，踏遍了太行山、九华山、天目山、庐山等地。在1933年中国地质学会第十次年会上，李四光以《扬子江流域之第四纪冰期》为题做了学术演讲，他不仅指出了庐山存在大量冰川遗迹的结论，而且还断定中国的第四纪冰川主要是山谷冰川，并为此划分为三次冰期，还要求中外地质学者到庐山进行实地考察、验证。
可是，尽管大量的事实摆在眼前，但在当时半封建半殖民地的中国，我国科学家低人一等，它仍然是不能够被很多外国著名学者认同。“庐山辩论”仍然没有改变“中国没有第四纪冰川”的论断。
后来，有一位外国科学家悄悄地跟李四光说了这样一句话：“如果这些遗迹是在国外被发现，早就被公认为冰川遗迹了。”这令本就没有放弃的李四光更有信心和勇气了。于是，他又进行了更进一步的考察、研究，他行走扬子江流域、黄山等地，又发现了更多的有力证据，因而又写出了“安徽黄山之第四纪冰川现象”的论文，还拍出了几幅冰川现象的照片。这次，他的研究终于引起了一部分中外学者的关注，就连德国得过地质学教授菲斯曼到黄山考察后也赞叹道：“这是一个翻天覆地的发现。”
李四光的努力终于得到了外国学者的公开认同，他欣喜不已，但是高兴的同时，他更知道仅仅这些还不够，于是他加紧了对第四纪冰川的考察、研究工作。这次，他竟然将家搬到了庐山，不仅如此，他还在论山脚下建立了一个冰川陈列馆“白石陈列馆”，以便更深入的进行中国第四纪冰川的研究工作。经过他的不懈努力，1937年终于写成了《冰期之庐山》，文中他对中国第四纪冰川的文字论述、照片等内容，使“中国存在第四纪冰川”的论断得到了最全面的阐述。只可惜，这本书因为抗战爆发又延期出版了10年之久。
但是，这仍然对推翻外国人的错误结论和建设中国底下水文和构造研究工作做出了不可磨灭的重大推动作用。
虽然，李四光对中国存在第四纪冰川的论断有力且正确，第四纪冰川对全球生物环境来说具有重大的意义。但是，处于半殖民地半封建社会环境下的中国科学家仍然对此不持认同态度。然而，李四光毫不气馁，也毫不理会一些外国学者蔑视、民族歧视的眼神，而是始终坚定自己的立场，始终致力于“让事实说话”，所以，他最终取得了这么重大的成绩，不仅让中国存在第四纪冰川的事实被世界公认，而且还极大地提高了中国科学家的地位，极大地推动了中国质地水文和构造事业的进程，影响深远。
