1921年以后，李四光除了在北大任课外，为了探究当时含煤地层年代的问题，在祖国的大地上开始认真地考查北方石炭纪和二迭纪的含煤地层及矿藏分布的情况。他把力学的理论引进了地质学领域，致力于一种叫“筳科”化石的研究工作。李四光为了用显微镜观察采集的化石的内部结构，必须把它磨得像纸一样薄。磨化石时灰尘飞扬，手上出了血泡，他还是磨个不停，直到清晰地看出化石的内部构造。他从对化石的薄片观察中，确定了“筳科”出现和灭绝的时期及其与成煤时期的关系。
李四光经过深入研究，终于写成了《中国北部之（虫筳）科》一书，指明了煤矿分布的地层。我国北方地层的陆相沉积（在陆地上沉积的物质）中间，夹有海相沉积（在海洋中沉积的物质）的薄层，而南方地区则以海相沉积为主。李四光进一步研究这一差异的缘由，提出“大陆车阀”（简言之，好比刹车一样）自动控制地球自转速度的理论，肯定地球自转速度的变化是引起地球表面形象变迁的主因，并进一步运用地质力学的观点分析地壳的结构，揭露构造现象的内在关系。为了使这一理论与实际相结合，李四光曾带领学生先后到秦岭和南岭考察，发现并概括出“山”字型构造体系和“多”字型构造体系，用事实批判了传统地质学中静止的、孤立的观点。其后，他又带领学生先后到太行山、九华山，攀登历险，找到了一批冰川条痕石，以胜于雄辩的事实，打破了洋人“权威”肯定中国没有发生过第四纪冰川的武断结论。
中国第四纪冰川的发现，博得了国内外正直科学家的赞扬。这个重大发现的意义，远不止于证明了第四纪冰川在中国的存在，更主要的是对生产建设事业，如开矿、筑路、建造水坝、电站等工程的施工有直接的关系。在日本帝国主义侵华时期，李四光在动乱中奔波，仍然以顽强的毅力坚持地质科学研究。他利用赴国外讲学的间隙完成了《中国地质学》的专著，在鄱阳湖畔的白石嘴建起一座地质标本陈列馆。
在1939年第17届国际地质会议上，李四光发表了题为《中国震旦纪冰川》的著名论文，在1948年第18届世界地质学会上，又宣读了题为《新华夏海之起源》的报告。在这一时期，他正式提出了以“地质力学”命名的地质学的新的理论名称，并在厦门大学和广西大学做了系统的学术报告。
李四光的“地质力学”是在我国地质构造基础上确立的。他把地质学和力学结合起来，使力学进入地质学研究领域，为研究矿产的分布、工程地质、地震地质以及整个地壳运动的规律，奠定了新的地质理论基础。正如敬爱的已故总理周恩来所评价的：“李先生首创的地质力学，为地质科学建立了独具特色的理论，这是对国家和人民作出的一个重大贡献啊！”