Pod vlivem předních osobností, jako byli Liebig a Dumas, se Wurtz v roce 1856 stal významným zastáncem reformy chemické teorie, kterou tehdy vedli Charles Gerhardt a Alexander Williamson. Tato nová chemie padesátých let 19. století vzala vážně myšlenku chemických atomů, přijala atomové váhy prvků, které se silně podobaly těm moderním, a navrhla jednotný schematický plán, který oponoval dualistické teorii odvozené z prací Jonse Jacoba Berzelia. Brzy poté Wurtz přijal také novou strukturní teorii, která se rozvíjela na základě prací mladších chemiků, jako byl August Kekulé. Ve Francii však měl v druhé polovině devatenáctého století vliv jakýsi skeptický pozitivismus a Wurtzovy snahy získat pro atomismus a strukturalismus ve své vlasti příznivý ohlas byly do značné míry zmařeny.

Wurtzova první publikovaná práce se týkala kyseliny hypofosforečné (1841) a pokračování jeho práce o fosforečných kyselinách (1845) vyústilo v objev kyseliny sulfosforečné a oxychloridu fosforu a také hydridu mědi. Jeho původní práce se však týkaly především organické chemie. Zkoumání kyanových etherů (1848) přineslo třídu látek, která otevřela novou oblast organické chemie, neboť působením na tyto ethery žíravou potaší získal methylamin, nejjednodušší organický derivát amoniaku (1849), a později (1851) sloučeniny urey. V roce 1855 při přezkoumání různých látek, které byly získány z glycerinu, dospěl k závěru, že glycerin je těleso alkoholové povahy tvořené na základě typu tří molekul vody, jako je běžný alkohol na základě jedné molekuly, a byl tak přiveden (1856) k objevu glykolů neboli dvouatomových alkoholů, těles podobně příbuzných typu dvojité vody. Tento objev velmi důkladně rozpracoval při zkoumání ethylenoxidu a polyethylenových alkoholů. Oxidace glykolů ho přivedla k homologům kyseliny mléčné a polemika o její stavbě s Adolfem Wilhelmem Hermannem Kolbem vyústila v objev mnoha nových skutečností a v lepší pochopení vztahů mezi oxidy a amidokyselinami. V roce 1855 publikoval práci, která je dnes známa jako Wurtzova reakce.

V roce 1867 Wurtz syntetizoval neurin působením trimetylaminu na glykol-chlorhydrin. V roce 1872 objevil aldolovou reakci a charakterizoval produkt, který vykazoval vlastnosti alkoholu i aldehydu. Ve stejném roce tuto reakci nezávisle na něm objevil Alexandr Borodin. Produkt byl pojmenován aldol, což poukazuje na jeho dvojí charakter. To vedlo k druhé konfrontaci s Kolbem.

Kromě tohoto výčtu některých nových látek, které připravil, lze odkázat na jeho práci o abnormálních hustotách par. Při práci na olefinech si všiml, že při zvyšování teploty dochází ke změně hustoty par amylen-hydrochloridu, hydrobromidu, &c, a v postupném přechodu od plynu s přibližně normální hustotou k plynu s poloviční normální hustotou spatřoval pádný argument ve prospěch názoru, že abnormální hustoty par, jaké vykazují sal-amoniak nebo pentachlorid fosforu. je třeba vysvětlit disociací. Od roku 1865 se touto otázkou zabýval v několika pracích a zejména zastával názor o disociaci par chloralhydrátu v opozici k Etiennu Henrimu Sainte-Claire Devilleovi a Marcellinu Berthelotovi.

Po dvacet jedna let (1852-1872) publikoval Wurtz v Annales de chimie et de physique výtahy z chemických prací provedených mimo Francii. Vydávání jeho velkého Dictionnaire de chimie pure et appliquée, na němž se podílela řada dalších francouzských chemiků, bylo zahájeno v roce 1869 a dokončeno v roce 1878; v letech 1880-1886 vyšly dva doplňující svazky a v roce 1892 bylo zahájeno vydávání druhého doplňku. Mezi jeho knihy patří Chimie médicale (1864), Leçons élémentaires 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) a Traité de chimie biologique (1880-1885). Jeho Histoire des doctrines chimiques, úvodní pojednání k jeho Dictionnaire (vydané rovněž samostatně v roce 1869), začíná větou: La chimie est une science française. Ačkoli tato věta vyvolala v Německu bouři protestů, je méně nacionalistická, než se zdá; chtěl jí pouze poukázat na zrod chemie pod vedením velkého Antoina Laurenta Lavoisiera, nikoliv tvrdit, že tato věda patří výhradně francouzskému národu.