欧阳自远院士负责国内地下核试验选场与综合效应研究，爆后验证成功，系统开展各类地外物质、月球科学、比较行星学和天体化学研究，是国内天体化学领域的开创者。
系统开展各类地外物质（陨石、宇宙尘、月岩）、比较行星学、天体化学与地球化学的研究。建立了铁陨石成因假说，吉林陨石的形成演化模式与多阶段宇宙线照射历史的理论；提出地球多阶段转变能的新的演化模式，地质体中宇宙尘的判断标志；补充并发展了太阳星云化学不均一性模式与理论；论证中国K/T界面撞击事件，提出并证实新生代以来6次巨型撞击诱发地球气候环境灾变的观点；论证组成地球原始物质的不均一性、地球两阶段形成与多阶段演化及对成矿与构造格局的制约，提出地球与类地行星的非均一组成与非均变演化的理论框架。近年来，积极参与并指导了中国月球探测的短期目标与长远规划的制订，是中国月球探测计划的首席科学家。 陨石是太阳系的“考古”样品，是构成地球的初始物质，是太阳系平均化学组成的代表，是孕育生命起源的胚胎，是行星际空间的天然探测器。陨石中铀（U）、钍（Th）、钾（K）、锇（Os）、铼（Re）、铷（Rb）、锶（Sr）、钐（Sm）和钕（Nd）同位素组成的测定与年龄计算，提供了元素的起源、星云形成、星云凝聚、行星形成、撞击事件的一系列时标，给出了太阳系形成和演化的时间序列。
世界上规模最大的一次陨石坠落事件——1976年吉林陨石雨事件，给地质工作者提供了极好的研究时机，中国组织了以欧阳自远教授为首的由全国有关研究单位及高等院校参加的一个全国性联合科学考察组，对吉林陨石进行了世界上规模最大的深入而系统的综合研究，研究内容涉及岩石学、矿物学、化学组成、有机质、年代学、同位素、热、宇宙线辐射、天体力学、碰撞演化史等方面，并先后与美国、德国、瑞士和日本等国密切合作，发表了一系列具有国际先进水平的论文（有关吉林陨石论文百余篇）。经过多年的探索，欧阳自远院士在国际上首次提出了吉林陨石多阶段宇宙线暴露模式和吉林陨石形成演化模式。目前在陨石学研究领域该模式已成为一个经典模式，并被各国科学家广泛引用。在陨石系统研究的基础上，顺应科学技术发展的节奏与规律，先后开展了高空（33—38公里）、海底和地层中的宇宙尘，以及月球岩石等地外物质的研究，进而结合太阳系各行星的探测成果，进行比较行星学的理论研究和实验模拟。随着全球变化研究的深入进行，又开展了地球历史中地外物体撞击诱发气候和环境灾变与生物灭绝过程的研究，并从地球原始不均一性的形成与演化探讨全球构造演化与成矿控制。这些自成体系的研究工作，力图构筑起中国天体化学研究的理论框架。随着研究工作的深入和继续，又及时地进行了理论总结和升华。1988年，他完成了著作《天体化学》。正如国际同行专家评价的：“从世界范围的观点来看，这部《天体化学》是独一无二的”、“在西方，还没有在广度和权威性方面可以与之相媲美的著作出版”。 近年来，他积极参与并指导中国月球探测的近期目标与长远规划的制订，具体设计国内首次月球探测的科学目标与载荷配置和第二、三期月球探测的方案与科学目标，是中国月球探测工程的首席科学家。
1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星，对欧阳自远的刺激很大，他决定从核物理研究转向天体研究。1978年，美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时送给中国领导人一件礼物——仅有1克重的月球岩石样品。有关部门将那块石头送到了研究天体学的欧阳自远这里。“美国去过6次月球，这块岩石是哪次登月采集的？采自月球的哪个地方？对于这些，我们当时都一无所知。我小心翼翼地取了0.5克作研究，另外那一半送到了北京天文馆。希望我们的人民也能亲眼看一看月球的一部分。”欧阳自远接着说：“仅研究这0.5克石头，我们共发表了40篇相关文章，最终我们确认这块石头是‘阿波罗17号’采集的，并确认了采集地点，甚至还确认了石头所在的地区是否有阳光照射等等。”
由于许多国家宣布进行新一轮的月球探测计划，欧阳自远从1994年起就开始向有关方面极力建议开展探月工程项目。
在这之前，1992年前后就已有科学家提出了“嫦娥奔月”的想法。当时为了迎接1997年香港回归，有人提出利用运载火箭往月球上发射一个象征中国的铁质标志，将其永远“烙”在月球上。但中央认为，“这完全是从政治角度考虑的，基本上没有什么科学研究价值”，所以最后被否决了。
后来，“863计划”专家组请欧阳自远递交一份正式的探月科研报告。到了1994年，专家组通过了欧阳自远的报告，并且得到了一笔经费。这是中国人花在月球上的第一笔钱。直到2003年底，报告被送进了中南海。2004年1月24日，温家宝总理在报告上签字，国家正式批准了“嫦娥一号”计划的实施方案。
经过从科学目标的确定到工程立项近10年的准备之后，欧阳自远承担了“嫦娥工程”首席科学家的重任。
