1956年，他独自一人远涉重洋，来到美国的密歇根大学读书。开始的时候，由于英语基础不好，美国的同学都不愿与他交往。他不但没有气馁，而是更加刻苦学习。不到半年，他就掌握了英语，而且各门功课的成绩都非常优秀。他仅用6年时间就取得两个学士学位和物理学博士学位。后来，他在实验物理学领域取得了举世瞩目的成就。
1974年8月，经过10年不懈的努力和不断实验，他发现了被称为“物理学11月革命”的新粒子——J粒子。他告诉人们说：“我做了10年矢量介子实验，才从上百亿个各种各样的粒子中找到了一个J粒子。这就好像在北方地区下了一场倾盆大雨，我从无数雨点中辨认出一个带颜色的雨点那样困难。”由于这一在物理学上有划时代意义的新发现，1976年，丁肇中获得诺贝尔物理学奖。他是继李政道、杨振宁以后，第三个获得此项殊荣的华人学者。