这年夏天，李四光又在大同西南约20公里的口泉附近发现了一条东西走向的山谷，长约数公里，谷身横切面呈U形。李四光被这一特殊地貌吸引住了。他顾不得烈日当头，立即走进了神奇的山谷。山谷中散布着片麻岩、片岩、玄武岩和巨大石块，谷底为砂岩。经过仔细观察后李四光断定，山谷中散布的这些带擦痕的巨大石块和卵石是由冰川造成的，这个山谷是典型的冰川U谷。

李四光把这两次观察到的现象作为重要的课题进行研究，撰写了一篇题为《华北晚近冰川作用的遗迹》的报道，文章完全否定了外国地质权威一贯认为的中国大陆不存在冰川的观点，引起了国内外地质地理界的广泛重视和争论。

1922年，北京大学建校25周年，为了扩大学校的影响和取得社会上的支持，校长蔡元培主张借校庆之机展示一下北大办校的成绩。李四光负责地质部分的展览工作，他领着学生把各种矿物、岩石、化石标本以及学生的报告、论文等分门别类地展示在地质系的各个教室里。这也是中国首次举办的内容丰富多彩的地质科学展览。从12月开始，北京大学的各个研究所、实验室、图书馆全部开放，前来参观的人数不断增加，校庆活动搞得简朴、热烈又隆重。

1931年夏，李四光以北京大学教授的身份带领学生到江西的庐山实习。庐山位于长江南岸鄱阳湖边，山姿挺拔峻秀。李四光根据庐山的地形，先带着学生从西南向东北依次考察各个时期地层的分布和构造情况，接着又下到山麓察看了东西两侧断层造成的峭壁。结合实地观察，李四光给学生们讲解了庐山巍峨屹立的地质原因。他生动形象的讲解，在同学们的心中绘出了一幅庐山地质概貌的图画。

这一次，李四光还领着学生登上庐山的含鄱岭。师生们都被眼前美丽的景色吸引住了。李四光环顾着白云掩映中的一座座青山，突然，他的目光停在了一条山谷里。他寻路下到谷底，发现这里的山谷非常平缓，而两侧的岩坡却很陡峭。谷底淡红色的黏土中夹杂着许多大大小小的石块和砾石。砾石的表面上隐约还能看到一些模糊的刻痕。这一切都给李四光留下了深深的疑问。这里是不是发生过冰川呢？李四光又开始思考这个问题。要证实自己的这一理论，就必须找到更确切的证据。

第二年的暑假，李四光再次来到庐山。他在庐山一住就是3个星期，每天早出晚归，实地勘察了庐山的每一个山峰和谷地，得到了大量的证据。暑假结束后，李四光回到研究所，把这次野外调查的资料进行分析整理，最后得出一条结论：庐山在第四纪地质时期，至少经过了两次冰期，最后一次冰期历时最长。李四光又结合庐山地区和江南其他地区的观察结果，得出了一条非常重要的意见：中国第四纪冰川主要是山谷冰川，只有山谷冰川特别发育的山区，才有山麓冰川发生。这一意见，为以后第四期冰川的研究工作找到了打开第一道奥秘之门的钥匙。

1936年，李四光又登上黄山进行考察，这一次他有了更大的发现。他根据考察的结果写成《安徽黄山第四纪冰川现象》一文，连同拍摄的照片一同发表在《中国地质学会志》上，再次引起了国内外地质学界的重视和好评。至此，李四光对中国第四纪冰川地质的研究成果，作为一个范例，得到了地质学界的广泛承认。