Dyson s-a mutat în Statele Unite în 1947 ca Commonwealth Fellow pentru a câștiga un doctorat în fizică cu Hans Bethe la Universitatea Cornell (1947-1948). Acolo a făcut cunoștință cu Richard Feynman. Fizicianul englez în devenire a recunoscut strălucirea americanului flamabil și s-a alăturat cât mai repede posibil. Apoi s-a mutat la Institutul pentru Studii Avansate (1948-1949), înainte de a se întoarce în Anglia (1949-1951), unde a fost cercetător la Universitatea din Birmingham. În 1949 Dyson a demonstrat echivalența a două formulari ale electrodinamicii cuantice (QED): Diagramele lui Richard Feynman și metoda operatorului dezvoltată de Julian Schwinger și Shinir Ward. El a fost prima persoană după creatorul lor care a acceptat în întregime diagrama de putere a lui Feynman și a publicat-o la Institutul de Studii Avansate din Princeton.
Proiectul Orion