段一士是我国首批留学苏联的研究生，当年以第一名的成绩考入莫斯科大学，后跟随著名理论物理学家、苏联科学院院士朗道教授做助教很长时间，先后接待过北京大学原校长周培源，著名科学家钱学森等人。在国际上首次提出引力规范理论中任意自旋场的广义协变狄拉克方程；在广义相对论中提出新的广义协变能量动量守恒定律，克服了爱因斯坦、朗道等人的守恒定律只适用于准伽利略坐标系的缺陷；与学生葛墨林在国际上最早提出规范场理论中规范势可分解和具有内部结构的新观点，得到了SU(2)规范场论中N个运动磁单极的拓扑流理论；后又与学生张胜利将拓扑流理论应用于固体缺陷，建立了位错和旋错的规范理论，在国际上首次直接统一了固体缺陷的几何与拓扑，在国际上得到了该领域权威学者的高度评价。

他在磁单极方面的研究，1976年被杨振宁教授评价为具有国际水平的美妙工作。于20世纪70年代初在国际上首先提出规范场理论中的规范势可分解和具有内部理论，并广泛

段一士先生从事广义相对论和规范场、粒子理论方面的研究。1979年提出规范势可分解和具有内部结构的思想，提出广义相对论中新的能量动量守恒定律。与人合作的“经典规范场理论研究”取得成果。“广义相对论中的能量动量守恒定律”1985年获国家教委科技进步奖一等奖。撰有论文《SU（2）规范理论和N个磁单极运动体系的电动力学》、《广义相对论中的能量动量守恒》、《任意自旋场的广义协变方程》。

1978年“磁单极理论”获全国科学大会奖，1979年“反坦克火箭电子引信”获国防科研重大成果奖，1982年“经典规范场理论”获全国自然科学三等奖，1985年“广义相对论中的能量、动量守恒定律”获国家教委科学技术进步一等奖和甘肃省高等学校科技成果一等奖，1991年“固体缺陷拓扑规范理论”获甘肃省科技进步一等奖，1992年“固体缺陷拓扑规范场理论”获甘肃省高校科技进步一等奖，2003年“凝聚态和宇宙时空缺陷的拓扑规范场理论”获甘肃省科技进步一等奖，同年，“拓扑规范场论新发展及其在物理学前沿学科中的应用”获教育部提名国家自然科学二等奖。段先生于1990年被评为全国高等学校先进科技工作者，1994年被评为甘肃省优秀专家。