Onder invloed van vooraanstaande personen als Liebig en Dumas werd Wurtz in 1856 een krachtig pleitbezorger van een hervorming van de chemische theorie die toen onder leiding stond van Charles Gerhardt en Alexander Williamson. Deze nieuwe scheikunde van de jaren 1850 nam het idee van chemische atomen serieus, nam atoomgewichten aan voor de elementen die sterk leken op de moderne, en stelde een unitair schema voor dat zich afzette tegen de dualistische theorie die was afgeleid van het werk van Jons Jacob Berzelius. Spoedig daarna nam Wurtz ook de nieuwe structurele theorie over die zich ontwikkelde uit het werk van jongere scheikundigen zoals August Kekulé. Een soort sceptisch positivisme was echter invloedrijk in Frankrijk gedurende de tweede helft van de negentiende eeuw, en Wurtz’ pogingen om een gunstig gehoor te krijgen voor atomisme en structuralisme in zijn thuisland werden grotendeels gefrustreerd.

Wurtz’ eerste gepubliceerde artikel was over hypofosforzuur (1841), en de voortzetting van zijn werk aan de zuren van fosfor (1845) resulteerde in de ontdekking van sulfofosforzuur en fosforoxychloride, alsmede van koperhydride. Maar zijn oorspronkelijke werk lag vooral op het terrein van de organische scheikunde. Onderzoek van de cyanische ethers (1848) leverde een klasse van stoffen op die een nieuw gebied in de organische scheikunde openden, want door deze ethers met kaliloog te behandelen, verkreeg hij methylamine, het eenvoudigste organische derivaat van ammoniak (1849), en later (1851) de samengestelde ureas. In 1855 kwam hij na onderzoek van de verschillende stoffen die uit glycerine waren verkregen, tot de conclusie dat glycerine een alcoholisch lichaam is van het type drie moleculen water, zoals gewone alcohol van het type één, en zo kwam hij (1856) tot de ontdekking van de glycolen of diatomische alcoholen, lichamen die eveneens verwant zijn aan het dubbele watertype. Deze ontdekking werkte hij zeer grondig uit in onderzoeken van ethyleenoxide en de polyethyleenalcoholen. De oxidatie van de glycolen leidde hem naar homologen van melkzuur, en een controverse over de samenstelling van dit laatste met Adolph Wilhelm Hermann Kolbe resulteerde in de ontdekking van vele nieuwe feiten en in een beter begrip van de relaties tussen de oxy- en de amido-zuren. In 1855 publiceerde hij werk over wat nu bekend is als de Wurtz-reactie.

In 1867 synthetiseerde Wurtz neurine door de inwerking van trimethylamine op glycol-chloorhydrine. In 1872 ontdekte hij de aldolreactie en karakteriseerde hij het product als een product dat zowel de eigenschappen van een alcohol als van een aldehyde vertoont. Alexander Borodin ontdekte de reactie onafhankelijk in hetzelfde jaar. Het product werd aldol genoemd, waarmee het op zijn dubbele karakter wees. Dit leidde tot een tweede confrontatie met Kolbe.

Naast deze lijst van enkele van de nieuwe stoffen die hij bereidde, kan worden verwezen naar zijn werk op het gebied van abnormale dampdichtheden. Tijdens zijn werk aan de olefinen merkte hij op dat de dichtheid van de damp van amyleenhydrochloride, hydrobromide, &c, verandert naarmate de temperatuur stijgt, en in de geleidelijke overgang van een gas van ongeveer normale dichtheid naar een van half-normale dichtheid zag hij een krachtig argument ten gunste van de opvatting dat abnormale dampdichtheden, zoals die worden vertoond door sal-ammoniak of fosforpentachloride, moeten worden verklaard door dissociatie. Vanaf 1865 behandelde hij deze kwestie in verschillende artikelen, en hield hij met name vast aan de dissociatie van de damp van chloraalhydraat, in tegenstelling tot Etienne Henri Sainte-Claire Deville en Marcellin Berthelot.

Gedurende eenentwintig jaar (1852-1872) publiceerde Wurtz in de Annales de chimie et de physique samenvattingen van chemisch werk dat buiten Frankrijk was verricht. De publicatie van zijn grote Dictionnaire de chimie pure et appliquée, waarin hij werd bijgestaan door vele andere Franse scheikundigen, werd begonnen in 1869 en voltooid in 1878; twee aanvullende delen werden uitgegeven 1880-1886, en in 1892 werd begonnen met de publicatie van een tweede supplement. Onder zijn boeken zijn 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) en Traité de chimie biologique (1880-1885). Zijn Histoire des doctrines chimiques, de inleidende verhandeling bij zijn Dictionnaire (ook afzonderlijk uitgegeven in 1869), opent met de zin: La chimie est une science française. Hoewel dit in Duitsland een storm van protest veroorzaakte, is de zin minder nationalistisch dan hij lijkt; hij wilde alleen verwijzen naar het ontstaan van de chemie onder de grote Antoine Laurent Lavoisier, in plaats van te beweren dat de wetenschap uitsluitend in Franse handen was.