20世紀50年代，徐光憲發表論文《旋光性理論中的鄰近性》，揭示了化學鍵的四極矩在分子旋光性中的主導作用。50年代，他改進了儀器設備，將極譜法的測量精度提高了兩個數量級，在世界上較早地測定了堿金屬和堿土金屬與某些陰離子的配位平衡常數。根據弱配位平衡與吸附平衡的相似性，提出了絡合平衡吸附理論，它可以簡單地描述溶液中弱配位平衡的過程。1957年，徐光憲被調到技術物理系，開展核燃料的提取化學研究。1962提出了我國廣泛采用的萃取系統分類。
從20世紀70年代末開始，徐光憲就進行了稀土的量子化學和稀土化合物結構規律性的研究。1982年，徐光憲通過總結實驗數據，分析量子化學計算結果，提出了新的原子價定義及其量子化學定義，圓滿解決了鮑林和邁耶定義中存在的問題。徐光憲非常重視科研基地的建設。1986年，在他的主持下成立了北京大學稀土化學研究中心，1991年，在他的努力下，利用世界銀行貸款在北京大學成立了稀土材料化學及應用國家重點實驗室。
徐光憲熱心教育，積極組織學術活動和交流，並擔任多個學術職務，致力於培養科技人才。截至目前，已發表論文400余篇，出版教材和專著10部。由於在科研方面的突出貢獻，徐光憲獲得了首屆賀亮合力基金會科技進步獎、首屆北京大學自然科學研究傑出貢獻獎和2008年國家最高科學技術獎。