Influenzato da figure di spicco come Liebig e Dumas, nel 1856 Wurtz divenne un potente sostenitore di una riforma della teoria chimica allora guidata da Charles Gerhardt e Alexander Williamson. Questa nuova chimica degli anni 1850 prese sul serio l’idea degli atomi chimici, adottò pesi atomici per gli elementi che assomigliano fortemente a quelli moderni, e propose uno schema unitario che si opponeva alla teoria dualistica derivata dal lavoro di Jons Jacob Berzelius. Poco dopo, Wurtz adottò anche la nuova teoria strutturale che si stava sviluppando dal lavoro di chimici più giovani come August Kekulé. Tuttavia, una sorta di positivismo scettico era influente in Francia durante la seconda metà del XIX secolo, e gli sforzi di Wurtz per ottenere un ascolto favorevole per l’atomismo e lo strutturalismo nella sua patria furono ampiamente frustrati.

Il primo articolo pubblicato da Wurtz fu sull’acido ipofosforico (1841), e la continuazione del suo lavoro sugli acidi del fosforo (1845) portò alla scoperta dell’acido solfofosforico e dell’ossicloruro di fosforo, nonché dell’idruro di rame. Ma il suo lavoro originale era principalmente nel campo della chimica organica. Lo studio degli eteri cianici (1848) ha prodotto una classe di sostanze che ha aperto un nuovo campo nella chimica organica, perché, trattando questi eteri con potassa caustica, ha ottenuto la metilammina, il più semplice derivato organico dell’ammoniaca (1849), e più tardi (1851) le uree composte. Nel 1855, esaminando le varie sostanze che erano state ottenute dalla glicerina, giunse alla conclusione che la glicerina è un corpo di natura alcolica formato sul tipo di tre molecole d’acqua, come l’alcol comune è su quello di una, e fu così condotto (1856) alla scoperta dei glicoli o alcoli biatomici, corpi similmente legati al tipo dell’acqua doppia. Questa scoperta fu elaborata molto accuratamente nelle indagini sull’ossido di etilene e sugli alcoli polietilenici. L’ossidazione dei glicoli lo portò a omologhi dell’acido lattico, e una controversia sulla costituzione di quest’ultimo con Adolph Wilhelm Hermann Kolbe portò alla scoperta di molti fatti nuovi e a una migliore comprensione delle relazioni tra gli ossidi e gli amido-acidi. Nel 1855, pubblicò un lavoro su quella che ora è conosciuta come la reazione di Wurtz.

Nel 1867 Wurtz sintetizzò la neurina dall’azione della trimetilammina sulla glicole-cloridrina. Nel 1872 scoprì la reazione di aldol e caratterizzò il prodotto mostrando le proprietà sia di un alcool che di un’aldeide. Alexander Borodin scoprì la reazione indipendentemente nello stesso anno. Il prodotto fu chiamato aldol, sottolineando il suo doppio carattere. Questo portò ad un secondo confronto con Kolbe.

In aggiunta a questa lista di alcune delle nuove sostanze che preparò, si può fare riferimento al suo lavoro sulle densità di vapore anomale. Mentre lavorava sulle olefine notò che un cambiamento avviene nella densità del vapore del cloridrato di amilene, idrobromuro, &c, come la temperatura è aumentata, e nel passaggio graduale da un gas di densità approssimativamente normale ad uno di densità metà-normale vide un potente argomento a favore dell’opinione che densità di vapore anormale, come sono esibiti da sal-ammoniaco o pentacloruro di fosforo. sono da spiegare con dissociazione. Dal 1865 in poi trattò questa questione in diversi articoli, e in particolare sostenne la dissociazione del vapore dell’idrato di cloralio, in opposizione a Etienne Henri Sainte-Claire Deville e Marcellin Berthelot.

Per ventuno anni (1852-1872) Wurtz pubblicò negli Annales de chimie et de physique abstracts di lavori chimici fatti fuori dalla Francia. La pubblicazione del suo grande Dictionnaire de chimie pure et appliquée, in cui fu assistito da molti altri chimici francesi, fu iniziata nel 1869 e terminata nel 1878; due volumi supplementari furono pubblicati 1880-1886, e nel 1892 fu iniziata la pubblicazione di un secondo supplemento. Tra i suoi libri ci sono 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) e Traité de chimie biologique (1880-1885). La sua Histoire des doctrines chimiques, il discorso introduttivo al suo Dictionnaire (pubblicato anche separatamente nel 1869), si apre con la frase, La chimie est une science française. Sebbene abbia sollevato una tempesta di proteste in Germania, la frase è meno nazionalistica di quanto sembri; egli intendeva riferirsi solo alla nascita della chimica sotto il grande Antoine Laurent Lavoisier, piuttosto che affermare l’esclusiva proprietà nazionale francese della scienza.