В 1907 г. Мандельштам становится приват-доцентом, в 1913 г. – профессором Страсбургского университета.
В 1910–1911 гг. он выполнил оптические работы, идея которых состоит в использовании в оптике методов, известных в радиотехнике. Несколько особняком (в идейном плане) находится его работа о теории микроскопа Аббе (1911), в которой также проявилась отмеченная впоследствии его учеником академиком А.А. Андроновым почти полная неспособность Мандельштама ошибаться в вопросах физики.
В 1913 Л.И. Мандельштам сделал «красивую работу» (определение А. Эйнштейна) «О шероховатости свободной поверхности жидкости», которая стала первым теоретическим и экспериментальным исследованием молекулярного рассеяния света на поверхности жидкости. Он дал статистическую теорию явления поверхностного рассеяния.
Второй страсбургский период научной деятельности ученого заканчивается в июле 1914 г., когда он с семьёй возвращается в Россию в преддверии Первой мировой войны. За годы работы в Страсбурге он прошел путь от талантливого студента до учёного с европейской известностью и выдающегося радиоинженера.
С возвращения в 1914 г. в Россию начинается 11-летняя одиссея Мандельштама по разным городам и на разных должностях. У него не было российской докторской степени, что препятствовало принятию его преподавателем и занятию физикой в вузе. В 1915 г. его избирают приват-доцентом при кафедре физики Новороссийского университета. В конце 1915 г. он принял приглашение стать научным консультантом радиотехнической лаборатории завода «Сименс и Гальске» (впоследствии завод им. Козицкого) в Петрограде. Осенью 1917 г. его избрали исполняющим должность ординарного профессора физики Тифлисского политехнического института, а также профессором Женских курсов. Там он узнал об Октябрьской революции. Через год он снова в Одессе, где активно участвует в организации Политехнического института. Он возглавил кафедру физики и пригласил в качестве преподавателей Н.Д. Папалекси и группу молодых физиков, и среди них И.Е. Тамма. Однако условий для плодотворной научной деятельности и там не удалось создать. Поэтому летом 1922 г. Мандельштам принимает предложение стать научным консультантом научных и научно-технических исследований в Московской радиолаборатории Электротехнического треста заводов слабого тока. Вместе с ним там же начинает работать Папалекси. В начале 1924 г. трест и радиолабораторию переводят в Ленинград и преобразуют последнюю в Центральную радиолабораторию (ЦРЛ). В связи с этим Мандельштам и Папалекси переезжают туда. В прекрасно оборудованной лаборатории можно было проводить исследования по радиофизике и радиотехнике. Была и новейшая научная литература, привезённая Мандельштамом из командировки в Германию (март–апрель 1923 г.). Среди прочего, оба друга разработали новые способы радиотелеграфной и радиотелефонной модуляции, стабилизации частоты, высокоселективные приёмники.
