Beeinflusst von führenden Persönlichkeiten wie Liebig und Dumas, wurde Wurtz 1856 ein starker Verfechter einer Reform der chemischen Theorie, die damals von Charles Gerhardt und Alexander Williamson angeführt wurde. Diese neue Chemie der 1850er Jahre nahm die Idee der chemischen Atome ernst, nahm Atomgewichte für die Elemente an, die den modernen stark ähneln, und schlug einen einheitlichen schematischen Plan vor, der sich gegen die dualistische Theorie aus den Arbeiten von Jons Jacob Berzelius richtete. Bald darauf übernahm Wurtz auch die neue Strukturtheorie, die sich aus den Arbeiten jüngerer Chemiker wie August Kekulé entwickelte. Allerdings war in Frankreich in der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts eine Art skeptischer Positivismus einflussreich, und Wurtz‘ Bemühungen, dem Atomismus und dem Strukturalismus in seinem Heimatland Gehör zu verschaffen, wurden weitgehend vereitelt.

Wurtz‘ erste veröffentlichte Arbeit war über hypophosphorige Säure (1841), und die Fortsetzung seiner Arbeit über die Säuren des Phosphors (1845) führte zur Entdeckung von Sulfophosphorsäure und Phosphoroxychlorid sowie von Kupferhydrid. Seine ursprünglichen Arbeiten lagen jedoch hauptsächlich auf dem Gebiet der organischen Chemie. Die Untersuchung der Cyanether (1848) führte zu einer Stoffklasse, die ein neues Gebiet der organischen Chemie eröffnete, denn durch die Behandlung dieser Ether mit Kalilauge erhielt er Methylamin, das einfachste organische Derivat von Ammoniak (1849), und später (1851) die Harnstoffverbindungen. Als er 1855 die verschiedenen aus Glycerin gewonnenen Substanzen untersuchte, kam er zu dem Schluss, dass Glycerin ein alkoholischer Körper ist, der sich aus drei Wassermolekülen zusammensetzt, so wie der gewöhnliche Alkohol aus einem Molekül besteht, und so entdeckte er (1856) die Glykole oder zweiatomigen Alkohole, Körper, die dem doppelten Wassertyp ähnlich sind. Diese Entdeckung arbeitete er sehr gründlich in Untersuchungen über Ethylenoxid und die Polyethylenalkohole aus. Die Oxidation der Glykole führte ihn zu Homologen der Milchsäure, und eine Kontroverse mit Adolph Wilhelm Hermann Kolbe über den Aufbau der letzteren führte zur Entdeckung vieler neuer Tatsachen und zu einem besseren Verständnis der Beziehungen zwischen den Oxy- und den Amidosäuren. 1855 veröffentlichte er eine Arbeit über die so genannte Wurtz-Reaktion.

1867 synthetisierte Wurtz Neurin durch die Einwirkung von Trimethylamin auf Glykol-Chlorhydrin. 1872 entdeckte er die Aldol-Reaktion und charakterisierte das Produkt, das sowohl die Eigenschaften eines Alkohols als auch die eines Aldehyds aufweist. Alexander Borodin entdeckte die Reaktion unabhängig davon im selben Jahr. Das Produkt wurde als Aldol bezeichnet, was auf seinen doppelten Charakter hinwies. Dies führte zu einer zweiten Konfrontation mit Kolbe.

Neben dieser Aufzählung einiger neuer Substanzen, die er herstellte, sei auf seine Arbeiten über anormale Dampfdichten verwiesen. Bei seinen Arbeiten über die Olefine bemerkte er, dass sich die Dampfdichte von Amylenhydrochlorid, Hydrobromid, &c, bei Erhöhung der Temperatur ändert, und in dem allmählichen Übergang von einem Gas mit annähernd normaler Dichte zu einem mit halbnormaler Dichte sah er ein starkes Argument für die Ansicht, dass anormale Dampfdichten, wie sie Sal-Ammoniak oder Phosphorpentachlorid aufweisen, durch Dissoziation zu erklären sind. Ab 1865 behandelte er diese Frage in mehreren Abhandlungen und behauptete insbesondere die Dissoziation der Dämpfe von Chloralhydrat im Gegensatz zu Etienne Henri Sainte-Claire Deville und Marcellin Berthelot.

Einundzwanzig Jahre lang (1852-1872) veröffentlichte Wurtz in den Annales de chimie et de physique Zusammenfassungen von chemischen Arbeiten, die außerhalb Frankreichs durchgeführt wurden. Die Veröffentlichung seines großen Dictionnaire de chimie pure et appliquée, bei der er von vielen anderen französischen Chemikern unterstützt wurde, wurde 1869 begonnen und 1878 abgeschlossen; zwei Ergänzungsbände wurden 1880-1886 herausgegeben, und 1892 wurde die Veröffentlichung eines zweiten Ergänzungsbandes begonnen. Zu seinen Werken gehören 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) und Traité de chimie biologique (1880-1885). Seine Histoire des doctrines chimiques, die einleitende Abhandlung zu seinem Dictionnaire (ebenfalls 1869 separat veröffentlicht), beginnt mit dem Satz: La chimie est une science française. Obwohl er in Deutschland einen Proteststurm auslöste, ist der Satz weniger nationalistisch, als es den Anschein hat; er wollte nur auf die Geburt der Chemie unter dem großen Antoine Laurent Lavoisier hinweisen, anstatt die ausschließliche nationale Zugehörigkeit Frankreichs zu dieser Wissenschaft zu behaupten.