1946年6月，李敏华通过了攻读机械工程专业的资格考试，并完成了光弹研究、微分方程、高等工程热力学等课程的学习。此外，她还听取了一门介绍利用机器进行计算的课程——采用机械方法的数学分析，并且在邓?哈托教授（Den Hartog）的指导下完成了博士论文的撰写。撰写论文是很辛苦的，因为吴仲华在1947年2月取得博士学位后要去位于克利夫兰城（Cleveland）的美国国家航空咨询委员会（National Advisory Committee of Aeronautics，NACA）下属的飞行推进研究实验室（Flight Propulsion Research Laboratory）工作。同年8月，吴仲华正式到任工作，在NACA担任研究科学家，全家随之迁至克利夫兰城。家庭的变迁要花费不少的精力，从2月起李敏华只得申请停学，连续春季班和夏季班两个学期没有注册上课。但是，“休学在家”并不意味着在家休息，她一边随着吴仲华搬到克利夫兰安置新家，一边抓紧一切时间进行攻读博士学位的学习与研究，甚至经常挑灯夜战。在暑期期间，李敏华还利用中学放假的时机，请一位中学生来家里帮助照顾孩子，以使自己可以集中精力进行论文工作，并在很短的时间里取得了骄人的进展：1948年5月1日，李敏华达到了博士学位所需的语言要求（德语）；5月8日，学院有关方面推荐李敏华申报科学博士学位；5月24日，提交了题为《可变系数的非线性弹簧系统的亚谐共振（Subharmonic Resonance of System Having Non-Linear Spring with Variable Coefficient）》的博士学位论文，同一天还通过了研究领域的最终考试；6月11日，获得博士学位，成为麻省理工学院工科领域的第一位女博士。波士顿报纸《波士顿先驱报（Boston Herald）》在报道该届麻省理工学院毕业典礼时特别提到：“中国的李敏华，几个孩子的母亲，证明妇女可以与男子一样，获得博士学位。”

2011年，为了纪念清华大学建校100周年和麻省理工肇基150年，香港益达集团资助出版了一部研究专著《教育之桥——从清华到麻省理工》，书中把李敏华获得博士学位的事情称作“一项纪录”，而且写道：最早从麻省理工获得博士学位的清华留学生是叶玉良和周铭……李敏华则是麻省理工机械工程专业第一位女博士。这些记录，对中国人来说固然有其重要的纪念意义，也与麻省理工良好的学习环境以及指导教授的努力分不开。