Петром Леонидовичем была исследована магнитострикция пара- и диамагнитных веществ в сильных магнитных полях и открыта аномально большая магнитострикция монокристаллов висмута. Он обнаружил очень сильную анизотропию этой магнитострикции: при наложении магнитного поля вдоль тригональной оси висмут растягивался в направлении поля, а в поле, приложенном перпендикулярно оси — сжимался. П. Л. Капица исследовал также эффект Зеемана в сильных магнитных полях и наблюдал эффект Пашена — Бака.
Дальнейшая научная деятельность П. Л. Капицы связана с физикой низких температур. И здесь он начал с критического рассмотрения существовавших тогда методов получения низких температур и разработал новую оригинальную установку для ожижения гелия. В этой установке П. Л. Капице удалось избавиться от необходимости предварительно охлаждать гелий жидким водородом. Вместо этого гелий в его установке охлаждался, совершая работу в специальном расширительном детандере. Особенность этого поршневого детандера состояла в том, что смазку в нем осуществлял сам газообразный гелий.
Практически все изготовляемые в последнее время ожижители гелия строятся по принципу, предложенному П. Л. Капицей. Для проведения исследований в сильных магнитных полях и при низких температурах в Кембридже была построена специальная лаборатория им. Монда Лондонского Королевского общества, директором которой был назначен П. Л. Капица.
В 1934 г. П. Л. Капица возвращается в Москву и организует здесь Институт физических проблем, в котором продолжает исследования в сильных магнитных полях и по физике и технике низких температур.
В области техники низких температур Петр Леонидович разрабатывает новый метод ожижения воздуха с циклом низкого давления, в котором используется специальный турбодетандер, обладающий высоким коэффициентом полезного действия.
Разработанный П. Л. Капицей высокоэффективный радиальный турбодетандер с к.п.д. в 80-85% предопределил развитие во всем мире современных крупных установок разделения воздуха для получения кислорода, использующих только низкое давление.