Llicenciat en Físiques per la Universitat Nacional Associada del Sud-oest (1942), feu un màster a la Universitat Tsinghua (1944) i es doctorà a la Universitat de Chicago (1948), on durant un any fou ajudant d’Enrico Fermi. El 1949 ingressà a l’Institut d’Estudis Avançats de Princeton i el 1965 a la Universitat de Stony Brook de Nova York, on es retirà l’any 1999. Obtingué la ciutadania nord-americana el 1964, a la qual renuncià el 2015.
La seva recerca se centrà en temes de física teòrica, partícules elementals, interaccions, etc., algunes de les quals amb la col·laboració amb Robert L. Mills —teories de Yang-Mills (1954), centrades en el desenvolupament de la teoria de gauge i que són una part fonamental del model estàndard per a la física de partícules— i amb Tsung-Dao Lee. Li fou atorgat, juntament amb aquest darrer, el premi Nobel de física l’any 1957 per la seva teoria que les forces febles entre partícules elementals no tenien paritat simètrica.