Pod wpływem takich czołowych postaci jak Liebig i Dumas, w 1856 roku Wurtz stał się potężnym orędownikiem reformy teorii chemicznej prowadzonej wówczas przez Charlesa Gerhardta i Alexandra Williamsona. Ta nowa chemia lat pięćdziesiątych XIX wieku poważnie potraktowała ideę atomów chemicznych, przyjęła wagi atomowe pierwiastków, które mocno przypominały te współczesne, i zaproponowała jednolity schemat, który przeciwstawiał się dualistycznej teorii wywodzącej się z prac Jonsa Jacoba Berzeliusa. Wkrótce potem Wurtz przyjął również nową teorię strukturalną, która rozwijała się dzięki pracom młodszych chemików, takich jak August Kekulé. Jednak pewien rodzaj sceptycznego pozytywizmu był wpływowy we Francji w drugiej połowie XIX wieku i wysiłki Wurtza, by zyskać przychylny posłuch dla atomizmu i strukturalizmu w jego ojczyźnie, zostały w dużej mierze udaremnione.

Pierwszą opublikowaną pracą Wurtza był kwas hipofosforowy (1841), a kontynuacja jego pracy nad kwasami fosforowymi (1845) zaowocowała odkryciem kwasu sulfofosforowego i tlenochlorku fosforu, a także wodorku miedzi. Jego oryginalne prace dotyczyły jednak głównie chemii organicznej. Badania nad eterami cyjanowymi (1848) przyniosły klasę substancji, które otworzyły nowe pole w chemii organicznej, gdyż przez traktowanie tych eterów żrącym potażem otrzymał metyloaminę, najprostszą organiczną pochodną amoniaku (1849), a później (1851) związek ureas. W 1855 r., przeglądając różne substancje, które otrzymano z gliceryny, doszedł do wniosku, że gliceryna jest ciałem o charakterze alkoholowym, utworzonym na wzór trzech cząsteczek wody, jak zwykły alkohol na wzór jednej, i w ten sposób doprowadził (1856) do odkrycia glikoli lub alkoholi dwuatomowych, ciał podobnie związanych z podwójnym typem wody. Odkrycie to opracował bardzo dokładnie w badaniach tlenku etylenu i alkoholi polietylenowych. Utlenianie glikoli doprowadziło go do homologów kwasu mlekowego, a spór o budowę tego ostatniego z Adolfem Wilhelmem Hermannem Kolbe zaowocował odkryciem wielu nowych faktów i lepszym zrozumieniem związków między kwasami oksy- i amidowymi. W 1855 roku opublikował pracę na temat tego, co jest obecnie znane jako reakcji Wurtz.

W 1867 roku Wurtz zsyntetyzował neurynę przez działanie trimetyloaminy na glikol-chlorhydrynę. W 1872 r. odkrył reakcję aldolową i scharakteryzował produkt jako wykazujący właściwości zarówno alkoholu, jak i aldehydu. W tym samym roku reakcję tę odkrył niezależnie Aleksander Borodin. Produkt nazwano aldolem, wskazując na jego podwójny charakter. Doprowadziło to do drugiej konfrontacji z Kolbe.

Oprócz tej listy niektórych nowych substancji, które przygotował, można odnieść się do jego pracy nad nietypowymi gęstościami par. Podczas pracy nad olefinami zauważył, że zmiana następuje w gęstości pary chlorowodorku amylenu, wodorobromek, &c, jak temperatura jest zwiększona, a stopniowe przejście z gazu o gęstości około normalnej do jednego z pół-normalnej gęstości widział potężny argument na rzecz poglądu, że nienormalne gęstości par, takie jak wykazano przez sal-amoniak lub pięciochlorku fosforu. należy wyjaśnić dysocjacji. Od 1865 roku traktował tę kwestię w kilku pracach, a w szczególności utrzymał dysocjacji pary wodzianu chloralu, w przeciwieństwie do Etienne Henri Sainte-Claire Deville i Marcellin Berthelot.

Przez dwadzieścia jeden lat (1852-1872) Wurtz opublikował w Annales de chimie et de physique streszczenia prac chemicznych wykonanych poza Francją. Publikacja jego wielki Dictionnaire de chimie pure et appliquée, w którym był wspomagany przez wielu innych francuskich chemików, została rozpoczęta w 1869 roku i zakończona w 1878 roku; dwa uzupełniające tomy zostały wydane 1880-1886, a w 1892 roku rozpoczęto publikację drugiego suplementu. Wśród jego książek są 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) i Traité de chimie biologique (1880-1885). Jego Histoire des doctrines chimiques, dyskurs wprowadzający do jego Dictionnaire (wydanego również oddzielnie w 1869 r.), otwiera zdanie: La chimie est une science française. Chociaż wzbudziło to burzę protestów w Niemczech, zdanie to jest mniej nacjonalistyczne niż się wydaje; miał on zamiar odnieść się jedynie do narodzin chemii za czasów wielkiego Antoine’a Laurenta Lavoisiera, a nie zapewniać o wyłącznej francuskiej narodowej własności tej nauki.