李四光長期從事古生物學、冰川學和地質力學研究，在鑒定水龍骨科化石、發現中國第四紀冰川和建立地質力學等方面做出了突出貢獻。
長期以來，國際社會充斥著中國第四紀沒有冰川的謬論。為了證明中國有第四紀冰川的痕跡，李四光走遍全國，去過太行山東麓、大同盆地、長江流域，還去過幾次廬山。他發現牯嶺西谷的壹塊巨石矗立在另壹塊巨石之上，得出廬山存在大量冰川遺跡的結論，並堅信廬山是“中國第四紀冰川的典型地區”。踏足黃山、九華山、天目山，發現典型的冰蝕地貌和冰川堆積泥礫剖面...1936年，李四光在黃山發現冰磨紋，發表《安徽黃山第四紀冰川》。到目前為止，中國沒有第四紀冰川的謬論是不攻自破的。
李四光在科學史上的貢獻，無非是建立了地質力學這壹新興的邊緣學科。他是《地質力學概念》的作者，認為地殼運動中的巖石變形是地應力作用的結果。
1947年7月，代表中國參加18國際地質大會，首次應用自己創立的地質力學理論，作了題為《新華夏海的起源》的學術報告，引起強烈反響。從此，中國人創立的新學科——地質力學正式載入史冊。
早在1922，美國斯坦福大學的布萊克·王爾德教授就武斷地斷言:“中國是壹個缺乏石油資源的國家。”這個錯誤直到新中國成立，李四光都沒有反駁。李四光認為，整個新華夏系是壹個巨大的“多”字形構造體系，有三個隆起帶和三個沈降帶，相互分離。隆起帶有各種礦藏，沈降帶有豐富的天然氣和石油。在李四光理論的指導下，中國先後在大慶、大港、勝利、華北等地發現了石油，從而把“中國貧油論”的帽子徹底扔進了太平洋。