徐光宪院士基于对稀土化学键、配位化学和物质结构等基本规律的深刻认识，发现了稀土溶剂萃取体系具有“恒定混合萃取比”基本规律，建立了具有普适性的串级萃取理论。
　　该理论彻底改变了稀土分离工艺从研制到应用的试验放大模式，实现了设计参数到工业生产的“一步放大”，已广泛应用于我国稀土工业，引导了我国稀土分离科技和产业的全面革新，使我国实现了从稀土资源大国到生产和应用大国飞跃，为稀土磁、光、电功能材料的发展提供了物质保证，大大地提高了我国稀土产业的国际竞争力，被国际稀土界称为“中国冲击（ChinaImpact）”，影响十分深远。
　　他还先后赴白云鄂博和冕宁矿区考察，三次向中央提出有关白云鄂博矿和钍资源可持续高效洁净利用方面的书面建议，得到总理迅速批示，为我国稀土和钍资源的优化利用、环境安全和社会可持续发展提供了原则性指导意见。
　　徐光宪院士先后有4项科研成果获得国家自然科学奖和国家科技进步奖，并获得何梁何利基金科技成就奖。徐光宪院士获2008年度国家最高科学技术奖。
　　他撰写了《物质结构》和《量子化学-基本原理和从头计算法》等重要教材。其中《物质结构》自1959出版以来，已修订再版印刷了20余万册，迄今依然是化学领域的重要教学参考书，教育和培养了我国几代化学工作者。该书1988年荣获全国高等学校优秀教材特等奖，是化学领域唯一获此殊荣的教材。几十年来，他培养了博士生和硕士生近百人，现在北大稀土国家重点实验室工作的学生中就有中科院院士4人（黎乐民、黄春辉、高松、严纯华）、长江学者特聘教授3人（严纯华、高松、刘文剑）。