大学では菊池大麓(電子波の回折像を研究した菊池正士の父)らに教えを受けた。1887年卒業後直ちに助教授になった。磁気ひずみの実験的研究で98年に長岡・本多効果を発見した。1893年理学博士号を取得。ドイツ、オーストリアへ留学。ヘルムホルツ、プランク、ボルツマンらに師事。留学中にポアンカレの講演を聞き、「原子の構造を研究するのはそれぞれ固有のスペクトルに注目すべきである」との話に大きな刺激を受けた。多方面の分野を開拓し、日本の物理学の創始者である。東京数学物理学会で「科学原子に核あり」とする論文を発表した。Magazine」に論文を送った。長岡によると「原子の大きさは億個を並列して僅か1cm・・・その部分を構成する電子の運動範囲は微細・・・彗星のように動く電子は少なかろう。従って熱運動で粉飛するガス分子から離れる数多ではないから、安定の大なる組織に構成されていなければならなぬ。磁性も帯び・・・回転運動もなければならない。・・・・忽然思い出したのはマックスウエルの土星論を・・・・」としている。論文によると「原子は、これら(土星)の衛星を電子群で、また吸引中心を陽電荷の粒子で置き換えることにより、ほぼ具体化されることは明白である」として原子核の語は使用してない。特記すべき事は長岡論文が、ラザフォ−ドが実験に基づいて発表した有核原子模型に先立つこと約8年も前であったことである。ボーアの原子模型に先立つ画期的なものだったが、電子は光を発して核に落ち込んでしまうという困難さがあり、実験的裏付けに欠けていたことが弱点であった。長岡の投じた雑誌をラザフォードが座右に置いていたことから、少なからず影響を与えていたことは間違いないだろう。1939年〜1948学士院院長を務めた。1937年第1回文化勲章受賞した。