Influerad av ledande personer som Liebig och Dumas blev Wurtz 1856 en kraftfull förespråkare för en reform av den kemiska teorin som då leddes av Charles Gerhardt och Alexander Williamson. Denna nya kemi från 1850-talet tog idén om kemiska atomer på allvar, antog atomvikter för grundämnena som starkt liknade de moderna och föreslog en enhetlig schematisk plan som motsatte sig den dualistiska teori som härstammade från Jons Jacob Berzelius arbete. Strax därefter antog Wurtz också den nya strukturella teorin som utvecklades genom arbeten av yngre kemister som August Kekulé. Ett slags skeptisk positivism var dock inflytelserik i Frankrike under 1800-talets andra hälft, och Wurtz ansträngningar att få ett positivt gehör för atomismen och strukturalismen i sitt hemland misslyckades i stort sett.

Wurtz första publicerade uppsats var om hypofosforsyra (1841), och fortsättningen på hans arbete med fosforsyra (1845) resulterade i upptäckten av sulfofosforsyra och fosforoxiklorid samt kopparhydrid. Men hans ursprungliga arbete var huvudsakligen inom den organiska kemins område. Undersökningen av cyaniketerna (1848) gav en klass av ämnen som öppnade upp ett nytt område inom den organiska kemin, för genom att behandla dessa etrar med kaustisk kaliumklorid erhöll han metylamin, det enklaste organiska derivatet av ammoniak (1849), och senare (1851) de sammansatta ureorna. När han 1855 granskade de olika substanser som hade erhållits från glycerin, kom han till slutsatsen att glycerin är en kropp av alkoholisk natur som bildas av tre vattenmolekyler, som vanlig alkohol av en molekyl, och han ledde därmed (1856) till upptäckten av glykolerna eller diatomära alkoholer, kroppar som på liknande sätt är besläktade med den dubbla vattentypen. Denna upptäckt har han arbetat mycket grundligt med i undersökningar av etylenoxid och polyetylenalkoholer. Oxidationen av glykolerna ledde honom till homologer av mjölksyra, och en kontrovers om den sistnämnda syrans uppbyggnad med Adolph Wilhelm Hermann Kolbe resulterade i upptäckten av många nya fakta och i en bättre förståelse av relationerna mellan oxy- och amidosyrorna. År 1855 publicerade han ett arbete om det som nu är känt som Wurtz-reaktionen.

År 1867 syntetiserade Wurtz neurin genom trimetylamins verkan på glykolklorhydrin. År 1872 upptäckte han aldolreaktionen och karakteriserade produkten som visade egenskaper hos både en alkohol och en aldehyd. Alexander Borodin upptäckte reaktionen oberoende av varandra samma år. Produkten fick namnet aldol, vilket pekar på dess dubbla karaktär. Detta ledde till en andra konfrontation med Kolbe.

Inom denna förteckning över några av de nya substanser som han framställde kan man hänvisa till hans arbete med onormala ångtätheter. Medan han arbetade med olefinerna lade han märke till att det sker en förändring i densiteten hos ångan av amylenhydroklorid, hydrobromid, &c, när temperaturen höjs, och i den gradvisa övergången från en gas med ungefär normal densitet till en gas med halvnormal densitet såg han ett kraftfullt argument till förmån för uppfattningen att onormala ångtätheter, såsom de som uppvisas av sal-ammoniak eller fosforpentaklorid. ska förklaras av dissociation. Från 1865 och framåt behandlade han denna fråga i flera uppsatser, och i synnerhet vidhöll han dissociationen av kloralhydratets ånga, i opposition till Etienne Henri Sainte-Claire Deville och Marcellin Berthelot.

I tjugoen år (1852-1872) publicerade Wurtz i Annales de chimie et de physique sammanfattningar av kemiskt arbete som utförts utanför Frankrike. Publiceringen av hans stora Dictionnaire de chimie pure et appliquée, där han fick hjälp av många andra franska kemister, påbörjades 1869 och avslutades 1878; två tilläggsvolymer gavs ut 1880-1886, och 1892 påbörjades publiceringen av ett andra tillägg. Bland hans böcker kan nämnas Chimie médicale (1864), Leçons elementaires de chimie moderne (1867), Théorie des atomes dans la conception générale du monde (1874), La Théorie atomique (1878), Progrés de l’industrie des matières colorantes artificielles (1876) och Traité de chimie biologique (1880-1885). Hans Histoire des doctrines chimiques, den inledande diskursen till hans Dictionnaire (som också publicerades separat 1869), inleds med frasen La chimie est une science française. Även om den väckte en storm av protester i Tyskland är meningen mindre nationalistisk än den verkar; han avsåg endast att hänvisa till kemins födelse under den store Antoine Laurent Lavoisier, snarare än att hävda ett exklusivt franskt nationellt ägande av vetenskapen.