Когда Капица был отстранен от руководства ИФП, а директором института был назначен ученый, академик Анатолий Петрович Александров, Ландау был привлечен к участию в разработке атомного оружия. Но Ландау твердо решил прекратить работу по секретной тематике и добился этого.
С 1943 года Лев Ландау вернулся к преподавательской деятельности. Он преподавал на физико-техническом и физическом факультетах Московского университета.
Еще в ранней юности Ландау дал себе завет никогда «не курить, не пить и не жениться». Также, он считал, что брак – это кооператив, ничего общего не имеющий с любовью. Однако он встретил выпускницу химического факультета Конкордию (Кору) Дробанцеву, которая разошлась со своим первым мужем. Она поклялась, что не будет ревновать его к другим женщинам, и с 1934 года они жили вместе в гражданском браке. Ландау считал, что более всего разрушают брак ложь и измена, и поэтому они заключили «пакт о ненападении в супружеской жизни» (по задумке Ландау), который давал относительную свободу обоим супругам в романах на стороне. Официальный брак был между ними заключен в 1946 после рождения сына Игоря. Игорь Львович Ландау окончил Физический факультет МГУ, физик-экспериментатор в области физики низких температур.
7 января 1962 года, по дороге из Москвы в Дубну, Ландау попал в автокатастрофу. В результате серьёзных ранений он находился в течение 59 суток в коме. Физики всего мира принимали участие в спасении жизни Ландау. Было организовано круглосуточное дежурство в больнице. Недостающие медикаменты доставлялись самолётами из стран Европы и из США. В результате этих мер жизнь Ландау удалось спасти, несмотря на очень серьёзные ранения.
После аварии Ландау практически перестал заниматься научной деятельностью. Однако, по мнению его жены и сына, Ландау постепенно возвращался к своему нормальному состоянию и в 1968 году был близок к возобновлению занятий физикой.
Но случилась операция по устранению непроходимости кишечника, после которой через несколько дней Ландау умер. Диагноз – тромбоз мезентериальных сосудов.
Смерть наступила 1 апреля 1968 года в Москве в результате закупорки артерии оторвавшимся тромбом.
В 1962 году Лев Ландау получил Нобелевскую премию по физике «за пионерские исследования конденсированных сред, особенно жидкого гелия».