Az olyan vezető személyiségek, mint Liebig és Dumas hatására Wurtz 1856-ra a kémiai elmélet akkoriban Charles Gerhardt és Alexander Williamson által vezetett reformjának erőteljes szószólója lett. Ez az 1850-es évek új kémiája komolyan vette a kémiai atomok gondolatát, olyan atomsúlyokat fogadott el az elemek számára, amelyek erősen hasonlítanak a maiakra, és olyan egységes sematikus tervet javasolt, amely szemben állt a Jons Jacob Berzelius munkásságából származó dualista elmélettel. Nem sokkal később Wurtz is átvette a fiatalabb kémikusok, például August Kekulé munkásságából kibontakozó új szerkezetelméletet. A tizenkilencedik század második felében azonban Franciaországban egyfajta szkeptikus pozitivizmus volt meghatározó, és Wurtz erőfeszítései, hogy az atomizmus és a strukturalizmus kedvező meghallgatásra találjon hazájában, nagyrészt meghiúsultak.

Wurtz első publikált dolgozata a hipofoszforsavról szólt (1841), majd a foszforsavakkal kapcsolatos munkájának folytatása (1845) a szulfofoszforsav és a foszfor-oxiklorid, valamint a rézhidrid felfedezéséhez vezetett. Eredeti munkássága azonban elsősorban a szerves kémia területére terjedt ki. A cianéterek vizsgálata (1848) olyan anyagcsoportot eredményezett, amely új területet nyitott a szerves kémiában, ugyanis ezen éterek maró kálisóval való kezelésével metilamint, az ammónia legegyszerűbb szerves származékát (1849), majd később (1851) a karbamidvegyületeket kapta. 1855-ben a glicerinből nyert különböző anyagokat áttekintve arra a következtetésre jutott, hogy a glicerin olyan alkoholos természetű test, amely a három vízmolekula típusán képződik, mint a közönséges alkohol az egy molekula típusán, és így jutott el (1856) a glikolok vagy kétatomos alkoholok felfedezéséhez, amelyek hasonlóan a kettős víz típusához kapcsolódó testek. Ezt a felfedezést nagyon alaposan kidolgozta az etilén-oxid és a polietilénalkoholok vizsgálatában. A glikolok oxidációja a tejsav homológjaihoz vezetett, és az utóbbiak felépítéséről Adolph Wilhelm Hermann Kolbe-val folytatott vitája sok új tény felfedezéséhez és az oxi- és amidósavak közötti kapcsolatok jobb megértéséhez vezetett. 1855-ben publikálta a ma Wurtz-reakció néven ismert munkáját.

1867-ben Wurtz a trimetil-amin glikol-klórhidrinre gyakorolt hatására szintetizálta a neurint. 1872-ben felfedezte az aldol-reakciót, és úgy jellemezte a terméket, hogy az alkohol és az aldehid tulajdonságait is mutatja. Alekszandr Borogyin ugyanebben az évben önállóan fedezte fel a reakciót. A terméket aldolnak nevezte el, rámutatva kettős jellegére. Ez egy második összeütközéshez vezetett Kolbe-val.

Az általa előállított néhány új anyag e felsorolásán túlmenően utalhatunk a rendellenes gődsűrűséggel kapcsolatos munkájára. Az olefineken végzett munkája során észrevette, hogy a hőmérséklet növelésével változás következik be az amilén-hidroklorid, hidrobromid, &c gőzének sűrűségében, és a megközelítőleg normális sűrűségű gázból a félig normális sűrűségűbe való fokozatos átmenetben erős érvet látott annak a nézetnek a mellett, hogy a rendellenes gőzsűrűségek, mint amilyeneket a só-ammoniak vagy a foszfor-pentaklorid mutat. a disszociációval magyarázhatók. 1865-től kezdve több dolgozatban is foglalkozott ezzel a kérdéssel, és különösen a klorálhidrát gőzének disszociációját tartotta fenn, szemben Etienne Henri Sainte-Claire Deville-lel és Marcellin Berthelot-val.

Wurtz huszonegy éven át (1852-1872) az Annales de chimie et de physique című folyóiratban kivonatokat közölt a Franciaországon kívül végzett kémiai munkákról. Nagy Dictionnaire de chimie pure et appliquée című művének kiadását, amelyben sok más francia kémikus is segédkezett, 1869-ben kezdte el és 1878-ban fejezte be; két kiegészítő kötetet adtak ki 1880-1886 között, és 1892-ben megkezdték egy második kiegészítés kiadását. Könyvei közé tartozik a 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) és Traité de chimie biologique (1880-1885). Histoire des doctrines chimiques című műve, a Dictionnaire bevezető értekezése (amely külön is megjelent 1869-ben), a következő mondattal kezdődik: La chimie est une science française. Bár ez Németországban tiltakozási vihart keltett, a mondat kevésbé nacionalista, mint amilyennek látszik; csupán a kémia születésére akart utalni a nagy Antoine Laurent Lavoisier alatt, nem pedig a tudomány kizárólagos francia nemzeti tulajdonát állította.