Influido por figuras tan destacadas como Liebig y Dumas, hacia 1856 Wurtz se convirtió en un poderoso defensor de una reforma de la teoría química liderada entonces por Charles Gerhardt y Alexander Williamson. Esta nueva química de la década de 1850 se tomó en serio la idea de los átomos químicos, adoptó pesos atómicos para los elementos que se asemejan mucho a los modernos y propuso un esquema unitario que se oponía a la teoría dualista derivada de la obra de Jons Jacob Berzelius. Poco después, Wurtz también adoptó la nueva teoría estructural que se estaba desarrollando a partir de los trabajos de químicos más jóvenes como August Kekulé. Sin embargo, un tipo de positivismo escéptico fue influyente en Francia durante la segunda mitad del siglo XIX, y los esfuerzos de Wurtz por conseguir una audiencia favorable para el atomismo y el estructuralismo en su patria se vieron en gran medida frustrados.

El primer trabajo publicado por Wurtz fue sobre el ácido hipofosforoso (1841), y la continuación de su trabajo sobre los ácidos del fósforo (1845) dio lugar al descubrimiento del ácido sulfofosfórico y del oxicloruro de fósforo, así como del hidruro de cobre. Pero su trabajo original se desarrolló principalmente en el ámbito de la química orgánica. La investigación de los éteres cánicos (1848) dio lugar a una clase de sustancias que abrió un nuevo campo en la química orgánica, ya que, al tratar esos éteres con potasa cáustica, obtuvo la metilamina, el derivado orgánico más simple del amoníaco (1849), y más tarde (1851) las ureas compuestas. En 1855, revisando las diversas sustancias que se habían obtenido a partir de la glicerina, llegó a la conclusión de que la glicerina es un cuerpo de naturaleza alcohólica formado sobre el tipo de tres moléculas de agua, como el alcohol común lo es sobre el de una, y se vio así conducido (1856) al descubrimiento de los glicoles o alcoholes diatómicos, cuerpos igualmente relacionados con el tipo de agua doble. Este descubrimiento lo trabajó muy a fondo en las investigaciones sobre el óxido de etileno y los alcoholes de polietileno. La oxidación de los glicoles le condujo a los homólogos del ácido láctico, y una controversia sobre la constitución de este último con Adolph Wilhelm Hermann Kolbe dio lugar al descubrimiento de muchos hechos nuevos y a una mejor comprensión de las relaciones entre los oxiácidos y los amidoácidos. En 1855 publicó un trabajo sobre lo que ahora se conoce como la reacción de Wurtz.

En 1867 Wurtz sintetizó la neurina por la acción de la trimetilamina sobre la glicol-clorhidrina. En 1872 descubrió la reacción de aldol y caracterizó el producto por mostrar las propiedades tanto de un alcohol como de un aldehído. Ese mismo año, Alexander Borodin descubrió la reacción de forma independiente. El producto recibió el nombre de aldol, señalando su doble carácter. Esto llevó a un segundo enfrentamiento con Kolbe.

Además de esta lista de algunas de las nuevas sustancias que preparó, se puede hacer referencia a su trabajo sobre las densidades de vapor anormales. Mientras trabajaba con las olefinas, observó que se producía un cambio en la densidad del vapor del clorhidrato de amileno, hidrobromuro, &c, a medida que aumentaba la temperatura, y en el paso gradual de un gas de densidad aproximadamente normal a uno de densidad medio normal vio un poderoso argumento a favor de la opinión de que las densidades de vapor anormales, como las que presentan el sal-amoniaco o el pentacloruro de fósforo. deben explicarse por disociación. A partir de 1865 trató esta cuestión en varios trabajos, y en particular mantuvo la disociación del vapor del hidrato de cloral, en oposición a Etienne Henri Sainte-Claire Deville y Marcellin Berthelot.

Durante veintiún años (1852-1872) Wurtz publicó en los Annales de chimie et de physique resúmenes de trabajos químicos realizados fuera de Francia. La publicación de su gran Dictionnaire de chimie pure et appliquée, en la que contó con la ayuda de muchos otros químicos franceses, se inició en 1869 y se terminó en 1878; se publicaron dos volúmenes suplementarios 1880-1886, y en 1892 se inició la publicación de un segundo suplemento. Entre sus libros destacan 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) y Traité de chimie biologique (1880-1885). Su Histoire des doctrines chimiques, el discurso introductorio de su Dictionnaire (también publicado por separado en 1869), se abre con la frase La chimie est une science française. Aunque levantó una tormenta de protestas en Alemania, la frase es menos nacionalista de lo que parece; su intención era referirse sólo al nacimiento de la química bajo el gran Antoine Laurent Lavoisier, en lugar de afirmar la propiedad nacional francesa exclusiva de la ciencia.