徐光宪结合国家建设需要，坚持理论与实践相结合的研究方向，在量子化学、配位化学、萃取化学、稀土化学、化学键理论和串级萃取理论等领域，取得了显著成就。
20世纪50年代，徐光宪提出了配合物平衡的吸附理论；60年代，他改进和提出了几种测量萃取常数的方法；70年代，提出最优化串级萃取设计方案，建立了新的串级萃取理论；80年代，提出原子价的新定义及其量子化学定义，并首次合成了一系列有特殊结构和性能的四核双氧基稀土配合物。他发现了稀土溶剂萃取体系具有“恒定混合萃取比”基本规律，提出了适于稀土溶剂萃取分离的串级萃取理论，可以“一步放大”，直接应用于生产实际，引导稀土分离技术的全面革新，促进了中国从稀土资源大国向高纯稀土生产大国的飞跃。 发展串级萃取理论并用于稀土工业生产 1971年底，徐光宪返回北京大学化学系工作。当时化学系在搞稀土元素的分离提纯。他认为，萃取法用于稀土分离提纯是大有可为的，于是他积极参加这项工作，运用过去在络合物平衡和萃取化学基础研究中得到的成果和积累 的经验，很快就对稀土萃取分离工艺做出了突破性的改进。镨钕分离是稀土元素分离中的难点，当时又是一项急需完成的军工任务。他通过选择萃取剂和络合剂，配 成季铵盐——DTPA“推拉”体系，使镨钕分离系数从一般萃取体系的1.4—1.5高到4以上，这是当时国际上最高的数值。但这类体系直接用于工业生产有困难。美国曾有过一个专利报道，提出用推拉体系萃取分离稀土，但从未用到实际生产中去，因为无法实现串级萃取过程。当时国际上流行的串级萃取理论是L．阿尔德斯（Alders）提出来的，徐光宪仔细分析了在串级萃取过程中络合平衡移动的情况，发现阿尔德斯串级萃取理论的基本假定：“在串级过程中萃取比保 持恒定”，在稀土推拉体系串级萃取过程中是不成立的。于是他精心设计出一套化学操作流程，并导出与此相应的一套串级萃取理论公式，在此基础上设计出一种回流串级萃取新工艺。
1974年9月，他亲赴包头稀土三厂参加这一新工艺流程用于分离包头轻稀土的工业规模试验，获得成功，从而在国际上首次实现了用推拉体系高效率萃取分离稀土的工业生产。在这些工作的基础上，他随后陆续提出了可广泛应用于稀土串级萃取分离流程优化工艺设计的设计原则和方法，极值公式，分馏萃取三出口工艺的设计原则和方法，建立了串级萃取动态过程的数学模型与计算程序，回流启动模式等。这些原则和方法用于实际生产，大大简化了工艺参数设计的过程，减少了化工试验的消耗；特别是能适应原料和设备不同的工厂，因而能普遍使用。他和李标国、严纯华等共同研究成功的“稀土萃取分离工艺的一步放大”技术，是在深入研究和揭示串级萃取过 程基本规律的基础上，以计算机模拟代替传统的串级萃取小型试验，实现了不经过小试、扩试，一步放大到工业生产规模，大大缩短了新工艺设计到生产的周期，使中国稀土分离技术达到国际先进水平。 中国溶液络合物化学研究的先行人 徐光宪对学科发展前沿的生长点很敏感，能把握国际学术发展的新动向，结合中国实际情况，及时选择有发展前途的研究领域和课题。1951年，他回国初期仍在继续从事量子化学研究。当时，国际上对溶液中络合物平衡的研究正在兴起，他敏锐地感觉到这将发展成为无机化学的重要分支，中国国内也有条件做这方面的工作。于是他迅速抓住这一时机，率先在中国国内开展溶液中络合过程物理化学的研究。首先是测定溶液中的络合物平衡常数。他通过改进仪器设备，提高了测量精度，同时改进实验数据的处理方法，因而能从测定结果得出更多的信息，加上用新的实验数据处理方法，得到的结果就更多和更精确，对弱络合体系也可给出较准确的分级络合常数。他在络合平衡常数测定方面的工作迅速达到国际先进水平，也带动了中国国内有关研究工作的开展。他根据络合平衡与吸附平衡的相似性提出络合物平衡的吸附理论，可以简便地描述溶 液中弱络合物平衡过程。这一时期的工作成果对他后来成功地开展核燃料萃取化学和稀土化学研究有很大帮助。 20世纪70年代以来，他注意到生物无机化学的兴趣，立即意识到研究生物分子配体络合物的重要意义。他鼓励、支持和指导科研组的同志积极开展这方面的工作，例如研究胆结石的生成机理，稀土羊毛染色机理，抗癌药物分子对金属离子的络合作用等。80年代以来，他在固体络合物的合成、结构测定和谱学研究等方面，指导助手和学生做了大量工作，特别是在稀土元素的多核、异核络合物方面，例如在国际上首次合成了具有特殊结构和性能的一系列四核稀土双氧络合物，引起同行的重视。 探寻物质结构与性能的关系 20世纪70年代初以来，金属有机化合物化学和原子簇化学迅速发展，有大量新化合物被合成出来，它们的结构及性质的研究也随之发展，因而金属有机化合物和原子簇化合物的结构规律成为众多学者关心的问题。徐光宪通过总结大量实验资料和已有的各种理论，提出了一个更普遍的，同时适用于金属有机化合物、原子簇化合物和一般分子的结构规则，取名为（nxcπ）格式。与此相关，还提出了原子共价的新定义。利用（nxcπ）结构规则，只要根据分子结构式即可估计分子的稳定性，从而可以预测可能存在的新化合物。这一结构规则和定义，已经通过了大量实验结果和量子化学计算结果的检验，显示出正确性与广泛适用性。
从20世纪70年代末开始，徐光宪主持开展了对稀土量子化学和稀土化合物结构规律性的研究。在建立适用于稀土元素电子结构研究的方法和计算程序的基础上，他对不同类型的稀土化合物进行了系统的量子化学计算，结合（nxcπ）结构规则和共价的新定义，对其成键情况进行分析。研究结果表明，稀土化合物并不总是离子性的，在金属有机化合物中存在的是带有离子性的共价键，而在很多无机化合物中存在带有很大共价成分的离子键。共价键主要通过其5d轨道生成，4f轨道贡献相当小，因此稀土的簇合物和金属有机化合物服从推广的十八电子规律。 徐光宪共发表期刊论文560余篇，论文被他人正面引用2200余次，出版有10本教科书及专著，包括《物质结构》和《量子化学》等许多重要教材。其中《物质结构》自1959年出版以来，已经修订再版印刷了20余万册，是化学领域重要的教学参考书。 著作 《物质结构讲义》（徐光宪编，暑期综合大学教学研究座谈会，1954）
《》（徐光宪著，高等教育出版社，1959年12月）
《物质结构》（徐光宪著，人民教育出版社，1961）
《物质结构简明教程》（徐光宪编著，高等教育出版社 1965）
《量子化学 ： 基本原理和从头计算法》（徐光宪著/黎乐民著/王德民著，科学出版社，1980）
《萃取化学原理》（徐光宪著，上海科学技术出版社，1984）
《New Frontiers in Rare Earth Science and Applications 》（徐光宪著，科学出版社，1985年1月）
《物质结构》（徐光宪编/王祥云编，高等教育出版社，1987）
《稀土的溶剂萃取》（徐光宪著，科学出版社，1987）
《物质结构》（徐光宪/王祥云合著，高等教育出版社，1987 ）
《徐光宪教授学术论文选集》（徐光宪著，北京大学化学系稀土化学研究中心，1990）
《徐光宪论文选集》（徐光宪著，北京工业大学出版社，1995）
《北京大学一九五五—一九五六学年科学讨论会，化学分会论文》（徐光宪著，北京大学出版社，1995）
《稀土》（徐光宪主编，冶金工业出版社，1995）
《神奇之土：稀土科学基础研究》（徐光宪主编，湖南科学技术出版社，1995）
《徐光宪文集》（徐光宪著，北京大学出版社，2000） 论文 《旋光的量子化学理论》（1951年）
《超越化学前沿的探索—与信息科学交叉的新园地》（2005年5月） 重视教学工作 徐光宪重视教学工作，认为必须让学生牢固掌握科学基本理论和基础知识，为将来献身祖国科技事业打下坚实的基础。
1951年，在北京大学化学系讲授物理化学课，同时在燕京大学化学系为研究生开设量子化学课。院系调整后在北京大学开出《物质结构》新课程，并担任了1954年的物质结构暑期进修班的讲课。
1957年，国家要求北京大学迅速培养原子能科学技术方面的人材。徐光宪当时虽对原子能化学并不熟悉，但在被任命为这项工作的负责人之一以后，日夜备课，充分准备，于两个月后就讲授放射化学、原子核物理导论等课程。他很注意让青年教师、研究生及时掌握学科最新成就，站到学科发展最前沿。20世纪50年代末期，国际上配位场理论在无机化学中的应用迅速扩展，萃取化学研究刚刚开始，他及时在技术物理系给青年教师和研究生开设了配位场理论和萃取机理等课程。打倒“四人帮” 以后，中国国内恢复了对基础研究的重视。当时，量子化学经过十多年的迅速发展，在化学各分支学科得到广泛应用，并已渗透到与化学相关的其他学科领域内，他抓住时机开设了量子化学、分子光谱、高等无机化学等课程，直到1986年他还亲临教学第一线。他讲课内容丰富，注意启发学生深入到物质变化的微观层次运用基本规律分析复杂纷繁的化学现象，以求深刻理解这些现象的微观本质及它们之间的内在联系，进而能预见一些新现象。 重视教材建设 徐光宪很重视教材建设工作，认为一本好的教材对学生的学习有很大帮助。
20世纪50年代，他根据自己在北京大学几年中使用的物质结构讲义，加以修改补充，精心整理，编写成《物质结构》一书，于1959年由高等教育出版社出版，并由高教部规定为全国统编教材。
1965年，为了适应工科、师范类院校的教学需要，他又编写了一本《物质结构简明教程》。《物质结构》一书，内容丰富，安排得当，条理清楚，概念表述准确、深刻，有关化学键理论的两章写得尤为精采，因此深受教师和学生的欢迎，成为在全国使用多年的教材，曾先后五次再版，发行了十余万册，在物质结构课的教学中发挥了重要作用，1988年1月获得国家教委颁发的 “高等学校优秀教材特等奖”。该书还在香港被翻印，受到港台读者的欢迎。
20世纪80年代初，他根据物质结构学科发展的情况，在王祥云协助下对原书进行了修改补充，于1987年由高等教育出版社出了修订版，很受读者欢迎。
1978年，徐光宪在给研究生开设量子化学课时，针对化学系本科生数学、物理基础较薄弱的情 况，和黎乐民等合作编写了一部研究生用的量子化学教材《量子化学基本原理和从头计算法》（上、中、下二册），分别于1980、1985、1989年由科学出版社出版。这部教材内容比较丰富，能较全面地反映出这一学科发展的现状，在基本原理的叙述和公式推导方面又相当详细，较易为数学、物理基础较薄弱的读者理解，因而得到读者的好评。
此外，他还在《化学通报》等杂志上发表过不少教学经验交流或专题讲座性质的文章，也使很多教师和学生读后受益不浅。
