在物理學方面,朗之萬起初研究氣體電離、陰極射線和X射線的次級發射等問題,對確認電子的存在頗有貢獻,在氣體中大小離子問題上作了許多有意義的工作,闡明了層雲形成原因,發展了布朗運動的漲落理論。1905年提出了關於磁性的理論,用基元磁體的概念對物質的順磁性及抗磁性進行了(經典的)說明。1911年提出了磁子的概念。
早在1904年,朗之萬就在研究運動電荷的電磁輻射時獨立於A.愛因斯坦而得到了質量和能量的關係式;在看到愛因斯坦的1905年論文以後,他對相對論表示了熱烈的興趣,並和愛因斯坦結下了深摯的友誼。1913年,利用原子核結合能的概念來解釋了核質量為什麼不是氫核質量的整數倍,並對核能的釋放進行了一定的推測。對相對論的闡述也曾作了大量的宣傳和普及工作。
第一次世界大戰期間,朗之萬研究過彈道學和超音速氣流等問題,特別是為了探測敵潛艇,開創了超音波的研究,製造了最早的聲吶。
當L.V.德布羅意提出了物質波的理論時,朗之萬率先表示了支持,並把這種概念轉告愛因斯坦,這對E.薛丁格波動力學的創立起了促進的作用。
朗之萬在物理學的理論、實驗和套用方面都進行了大量的很有創見的工作,而且對於物理學上的新思想,總是積極支持,熱情參與。
在哲學上,朗之萬自覺地相信唯物主義;在政治上,他堅決反對法西斯,反對侵略,後來還參加了法國共產黨,在各種民眾性的運動中起了非常積極的作用。在第二次世界大戰期間,他曾被德國占領軍逮捕入獄,和法西斯進行了嚴正的鬥爭。
朗之萬曾於1931年受國際聯盟的委託來中國考察教育,到達上海時正值“九一八”事變,他為此進行了各種聲援中國的活動,並批評了國際聯盟對日本侵略者的縱容。他並且呼籲中國物理學界聯合起來,這種呼籲使得當時醞釀已久的中國物理學會終於正式成立。