1950年李季伦调入北京农业大学，在这里开始了他倾心奉献、成果丰硕的科学人生

1959年李季伦和同事们提取的赤霉素结晶在德国莱比锡博览会上展出，引起了国际学术界的震惊。20世纪80年代，他又先后研制和开发了赤霉素GA3和GA4+7等产品，成为杂交水稻不可缺少的增产手段。

1980年至1982年期间，李季伦在美国威斯康辛大学生化系从事合作研究期间，证明了固氮酶催化HD形成是固氮酶的普遍特性，而且是绝对依赖N2的。归国后他继续指导学生研究固氮酶催化放H2的机制，提出了固氮酶的双位点放H2模式，在国际学术界得到高度评价。

1958年，李季伦在做赤霉素提纯实验

20世纪80年代，李季伦研制成功了用于预防鸡球虫危害莫能菌素和马杜霉素，开发出防治动植物寄生虫病的阿维菌素和伊维菌素。这一系列微生物制剂的成功研发，取得了重大经济效益和社会效益。

在固氮螺菌分子遗传学研究中，李季伦和同事们建立了我国巴西固氮螺菌Yu62菌株的基因文库，克隆、测序、分析了该菌主要表达基因的功能，构建了能节约玉米氮肥20%的耐铵固氮基因工程菌株。他启动了我国豆科植物根瘤菌资源调查和分类的研究，建立了我国根瘤菌资源数据库，为以后的研究奠定基础。

1973年，李季伦开始了玉米赤霉烯酮的研究，并和上海有机化学研究所共同研制了玉米赤霉醇，有效促进动物增重，提高饲料转化率，效果与进口产品一致，打破了美国在此产品上的全球垄断。

李季伦曾先后讲授“普通微生物学”、“真菌学”、“微生物生理学”、“生物固氮”、“微生物研究技术”等课程，培养研究生70余人。六十多年的教学中，他始终以育人为宗旨，言传身教，着重培养学生的动手能力和实践本领。

1958年北京农业大学微生物专业成立之初，他为学科创建做了大量的工作。1965年他和俞大绂教授合编了《微生物学》，1985年该书第二版问世，内容增修近一倍，1988年获国家新闻出版署优秀科技图书一等奖。