Influențat de personalități precum Liebig și Dumas, Wurtz a devenit, în 1856, un puternic susținător al reformei teoriei chimice conduse atunci de Charles Gerhardt și Alexander Williamson. Această nouă chimie a anilor 1850 a luat în serios ideea de atomi chimici, a adoptat ponderi atomice pentru elemente care seamănă foarte mult cu cele moderne și a propus un plan schematic unitar care se opunea teoriei dualiste derivate din lucrările lui Jons Jacob Berzelius. La scurt timp după aceea, Wurtz a adoptat, de asemenea, noua teorie structurală care se dezvolta din activitatea unor chimiști mai tineri, precum August Kekulé. Cu toate acestea, un fel de pozitivism sceptic era influent în Franța în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, iar eforturile lui Wurtz de a obține o audiență favorabilă pentru atomism și structuralism în țara sa natală au fost în mare parte frustrate.

Prima lucrare publicată de Wurtz a fost despre acidul hipofosforic (1841), iar continuarea lucrărilor sale despre acizii fosforului (1845) a dus la descoperirea acidului sulfofosforic și a oxiclorurii de fosfor, precum și a hidrurii de cupru. Dar lucrările sale originale s-au desfășurat în principal în domeniul chimiei organice. Cercetarea echerilor cianici (1848) a dus la obținerea unei clase de substanțe care a deschis un nou domeniu în chimia organică, deoarece, prin tratarea acestor eteri cu potasă caustică, a obținut metilamina, cel mai simplu derivat organic al amoniacului (1849), iar mai târziu (1851) ureea compusă. În 1855, trecând în revistă diversele substanțe care fuseseră obținute din glicerină, a ajuns la concluzia că glicerina este un corp de natură alcoolică format pe tipul a trei molecule de apă, așa cum alcoolul comun este pe cel de o moleculă, și astfel a fost condus (1856) la descoperirea glicolilor sau a alcoolilor diatomici, corpuri înrudite în mod asemănător cu tipul apei duble. Această descoperire a prelucrat-o foarte temeinic în cercetările asupra oxidului de etilenă și a alcoolilor polietilenici. Oxidarea glicolilor l-a condus la omologii acidului lactic, iar o controversă despre constituția acestuia din urmă cu Adolph Wilhelm Hermann Kolbe a dus la descoperirea multor fapte noi și la o mai bună înțelegere a relațiilor dintre oxi-acizi și amidoacizi. În 1855, el a publicat o lucrare despre ceea ce este acum cunoscut sub numele de reacția Wurtz.

În 1867, Wurtz a sintetizat neurina prin acțiunea trimetilaminei asupra glicol-clorhidrinei. În 1872 a descoperit reacția aldol și a caracterizat produsul ca prezentând proprietățile atât ale unui alcool, cât și ale unei aldehide. Alexander Borodin a descoperit reacția în mod independent în același an. Produsul a fost denumit aldol, subliniind caracterul său dublu. Acest lucru a dus la o a doua confruntare cu Kolbe.

În plus față de această listă a unora dintre substanțele noi pe care le-a preparat, se poate face referire la lucrările sale privind densitățile anormale ale vaporilor. În timp ce lucra la olefine, el a observat că are loc o schimbare în densitatea vaporilor de clorhidrat de amilenă, bromhidrat, &c, odată cu creșterea temperaturii, iar în trecerea treptată de la un gaz cu densitate aproximativ normală la unul cu densitate pe jumătate normală a văzut un argument puternic în favoarea opiniei că densitățile anormale ale vaporilor, cum sunt cele prezentate de salamoniac sau pentaclorura de fosfor. trebuie explicate prin disociere. Începând din 1865, el a tratat această problemă în mai multe lucrări și, în special, a susținut disocierea vaporilor de hidrat de cloral, în opoziție cu Etienne Henri Sainte-Claire Deville și Marcellin Berthelot.

Timp de douăzeci și unu de ani (1852-1872), Wurtz a publicat în Annales de chimie et de physique rezumate ale lucrărilor chimice efectuate în afara Franței. Publicarea marelui său Dicționar de chimie pură și aplicată, la care a fost ajutat de mulți alți chimiști francezi, a fost începută în 1869 și terminată în 1878; două volume suplimentare au apărut între 1880-1886, iar în 1892 a fost începută publicarea unui al doilea supliment. Printre cărțile sale se numără Chimie medicală (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) și Traité de chimie biologique (1880-1885). Histoire des doctrines chimiques (Istoria doctrinelor chimice), discursul introductiv la Dicționarul său (publicat și el separat în 1869), se deschide cu fraza: La chimie est une science française. Deși a stârnit o furtună de proteste în Germania, fraza este mai puțin naționalistă decât pare; el a intenționat să se refere doar la nașterea chimiei sub conducerea marelui Antoine Laurent Lavoisier, mai degrabă decât să afirme proprietatea națională franceză exclusivă asupra acestei științe.

.