Les années 1980 confirment l’unification des théories de l’interaction faible et de l’électromagnétisme avec la découverte des bosons W et Z⁰ en 1983 au CERN, grâce au collisionneur proton-antiproton à 300 GeV. Le démarrage du LEP en 1989, usine à Z⁰, marque le début de l’ère des mesures de précision en électrodynamique quantique. Parallèlement, la course aux hautes énergies continue avec la préparation des collisions proton-électron sur l’accélérateur HERA, à Hambourg (Allemagne), et avec les premières études de faisabilité des futures expériences installées auprès du grand collisionneur de hadrons : le LHC au CERN (les premières collisions auront lieu en… 2009).
C’est également le lancement du programme d’ions lourds au CERN, dans lequel le laboratoire aura une place privilégiée, et qui permettra de mettre en évidence un nouvel état de la matière, le plasma de quarks et gluons, dont l’étude initiée avec l’expérience sur cible fixe NA38 auprès du SPS, se poursuivra avec l’expérience NA50.
Enfin, les années 1980 voient aussi se développer les expériences hors accélérateur et le début de l’astroparticule pour utiliser l’Univers comme un vaste laboratoire disposant de conditions expérimentales non disponibles ailleurs. Le laboratoire sera ainsi au cœur de l’expérience TauP sur la désintégration du proton et à cette occasion étudiera le contenu en muons des gerbes du rayonnement cosmique.