Influenciado por figuras de destaque como Liebig e Dumas, em 1856 Wurtz tornou-se um poderoso defensor de uma reforma na teoria química, sendo então liderado por Charles Gerhardt e Alexander Williamson. Esta nova química dos anos 1850 levou a sério a ideia dos átomos químicos, adoptou pesos atómicos para os elementos que se assemelham fortemente aos modernos, e propôs um plano esquemático unitário que se opunha à teoria dualista derivada do trabalho de Jons Jacob Berzelius. Logo depois, Wurtz também adotou a nova teoria estrutural que estava se desenvolvendo a partir do trabalho de químicos mais jovens, como August Kekulé. No entanto, uma espécie de positivismo cético foi influente na França durante a segunda metade do século XIX, e os esforços de Wurtz para obter uma audiência favorável ao atomismo e ao estruturalismo em sua terra natal foram em grande parte frustrados.

O primeiro artigo publicado por Wurtz foi sobre o ácido hipofosfórico (1841), e a continuação do seu trabalho sobre os ácidos do fósforo (1845) resultou na descoberta de ácido sulfofosfórico e oxicloreto de fósforo, assim como de hidreto de cobre. Mas o seu trabalho original foi principalmente no domínio da química orgânica. A investigação dos éteres cianos (1848) produziu uma classe de substâncias que abriu um novo campo na química orgânica, pois, ao tratar esses éteres com potássio cáustico, obteve metilamina, o mais simples derivado orgânico do amoníaco (1849), e mais tarde (1851) os uréus compostos. Em 1855, revendo as diversas substâncias que haviam sido obtidas da glicerina, ele chegou à conclusão de que a glicerina é um corpo de natureza alcoólica formado sobre o tipo de três moléculas de água, como o álcool comum é sobre o de uma, e assim foi levado (1856) à descoberta dos glicóis ou álcoois diatômicos, corpos similarmente relacionados com o tipo de água dupla. Esta descoberta ele trabalhou muito bem nas investigações do óxido de etileno e dos álcoois de polietileno. A oxidação dos glicóis levou-o a homologar o ácido láctico, e uma controvérsia sobre a constituição deste último com Adolph Wilhelm Hermann Kolbe resultou na descoberta de muitos factos novos e numa melhor compreensão das relações entre os oxi- e os amido-ácidos. Em 1855, ele publicou um trabalho sobre o que hoje é conhecido como a reação de Wurtz.

Em 1867 Wurtz sintetizou a neurina pela ação da trimetilamina sobre a glicol-cloridrina. Em 1872 ele descobriu a reação de aldol e caracterizou o produto como mostrando as propriedades tanto de um álcool quanto de um aldeído. Alexander Borodin descobriu a reação de forma independente no mesmo ano. O produto recebeu o nome de aldol, apontando para o seu duplo caráter. Isto levou a um segundo confronto com Kolbe.

Além desta lista de algumas das novas substâncias que ele preparou, pode ser feita referência ao seu trabalho sobre densidades anormais de vapor. Ao trabalhar com as olefinas, ele notou que uma mudança na densidade do vapor de cloridrato de amileno, hidrobrometo, &c, à medida que a temperatura é aumentada, e na passagem gradual de um gás de densidade aproximadamente normal para um de densidade semi-normal, ele viu um argumento poderoso a favor da visão de que densidades anormais de vapor, tais como são exibidas pelo sal-amoníaco ou pelo pentacloreto de fósforo. devem ser explicadas pela dissociação. A partir de 1865 ele tratou esta questão em vários artigos, e em particular manteve a dissociação do vapor de hidrato de cloral, em oposição a Etienne Henri Sainte-Claire Deville e Marcellin Berthelot.

For vinte e um anos (1852-1872) Wurtz publicou nos Annales de chimie et de physique abstracts de trabalhos químicos feitos fora da França. A publicação do seu grande Dictionnaire de chimie pure et appliquée, no qual foi assistido por muitos outros químicos franceses, foi iniciada em 1869 e concluída em 1878; dois volumes suplementares foram emitidos 1880-1886, e em 1892 foi iniciada a publicação de um segundo suplemento. Entre seus livros estão 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). Seu Histoire des doctrines chimiques, o discurso introdutório ao seu Dicionário (também publicado separadamente em 1869), abre com a frase, La chimie est une science française. Embora tenha levantado uma tempestade de protestos na Alemanha, a frase é menos nacionalista do que parece; ele pretendia referir-se apenas ao nascimento da química sob o grande Antoine Laurent Lavoisier, em vez de afirmar a propriedade exclusiva nacional francesa da ciência.