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。