徐霞客對地理學做出了卓越貢獻，在地理學史上寫下了光輝的一頁。他能成為一個傑出的旅行家和地理學家，與他具有正確的地理研究方法是密不可分的，這主要表現在以下四個方麵：
第一，徐霞客重視實地考察，不迷信書本上已有的記載，注意把書本知識和實地考察結合起來，用實地考察的第一手資料去糾正輿地史籍承襲附會的各種錯誤。如萬曆四十六年（1618）徐霞客攀登黃山之後，指出蓮花峰“獨出諸峰上”，“即天都峰亦俯首矣”，糾正了曆來認為天都峰居各峰之首的錯誤觀點。徐霞客晚年在到達西南邊陲之後，寫了《盤江考》和《江源考》兩篇論文，對西南地區水係源流作了係統記述，澄清了不少問題，如大膽否定了流行長久的《禹貢》的“岷山導江”說，肯定和證實了前人關於金沙江是長江上源的正確記載。他通過在雲南、貴州的考察，還首先辨明了碧溪江是漾濞河下流，枯柯河是流入潞江而不是流入瀾滄江，正確指出北盤江之水發源於曲靖東山，認識到瀾滄江、禮社江、潞江各自獨流入海，糾正了《明一統誌》有關記載的錯誤。在廣西的旅途中，他由都結經把定，發現官府廳堂所掛地圖中隆安縣地理位置的錯誤，而深有感觸地指出：“非躬至，則郡圖猶不足憑也。”由於徐霞客通過實地考察發現了史書圖籍中的很多錯誤，積累了豐富的知識，從而堅信實地考察是得到切實可靠的地理知識的重要方法。
第二，運用描述記載方法。從古到今，描述記載的方法在地理著作中被廣泛應用，徐霞客在他的遊記中也充分運用了這種方法。但與以往相比，它具有兩個特點：其一，以清新簡練的文字，記載自然景物，其中生動活潑的形象描述，尤引人注目，如描述岩溶地貌的特征時有“錚錚骨立”的石山，“如出水青蓮，亭亭直立”的峰林，“旋渦成潭，如釜之仰”的落水洞，都是十分形象化的文字。在探查桂林七星岩後，描述洞內情況說：“其中有弄球之獅，卷鼻之象，長頸盎背之駱駝；有土塚之祭，則豬鬣鵝掌，羅列於前；有羅漢之燕，則金盞銀台，排列於下。其高處有山神，長尺許，飛坐懸崖；其深處有佛象，僅七寸，端居半壁菩薩之側，禪榻一龕，正可趺跏而坐。”他以豐富的想象力，給洞中形態萬千的鍾乳奇景，塑造了各種形神兼備的名字或神話故事，使本來死寂的山洞岩石，閃爍著生命的光芒和神奇的色彩。他的描述不僅使人興致勃勃，而且對今天在岩溶地區開發這類旅遊資源來說，也是充滿了吸引力的。其二，徐霞客對許多自然現象，很注意定量化的數字描述。例如他行經怒江時記所見大樹“本高二丈，大十圍”。在雲南雞足山悉檀寺描述虎頭蘭，“其葉皆闊寸五分，長二尺而柔，花一穗有二十朵；長二尺五者，花朵大二三寸，瓣闊共五六分”。需要著重談到的是，徐霞客考察岩溶洞穴，不僅記其魂麗雄奇的景觀，而且對很多洞穴的形態都有高、深、闊的數字描述。如探查廣西潯州府（今桂平縣）三清岩後寫道：“其岩西向，橫開大穴，闊十餘丈，高不過二丈，深不過五丈。”此外，他描述瀑布常常有落差的數字，觀察江河流經山峽時，也往往記有下切深度的數字。如記雲南棋盤山寶珠寺的瀑布說：“懸崖三級下，深可十五六丈”；在北盤江的鐵索橋附近描寫其陡崖峽穀說：“東西兩崖，相距不過十五丈，而高且三十丈，水奔騰於下，其深不可測。”徐霞客在沒有任何儀器裝備的條件下，依靠目測步量，取得這麼多的數據，說明他十分重視描述的科學性，努力使自己描述的對象建立在有科學數據的基礎上。
第三，徐霞客在野外考察中，對自然景觀不僅描述具體細致，而且進行比較分析，找出異同，加以歸納。如在湖南、廣西、貴州、雲南的廣大石灰岩地區考祭後，對所見岩溶地貌的類型、分布以及各地之間的差異作了大量的分析對比。他在書中明確指出峰林地形的分布西起雲南的羅平，東北止於湖南的道州（今道縣）。並通過比較，認識到各地峰林地形是有差別的，例如從湖南的祁陽開始，峰林地形即起變化，“過祁陽，突兀之勢以次漸露，至此（指冷水灘）而隨地湧出矣”。進入廣西，各地的差異更為顯著，陽朔、桂林一帶，“四顧皆石峰，無一土山相雜”；陽朔、佛力司以南，石山分布漸少，至柳州石山土山相間，到了貴縣則以土山為主了。他在具體地觀察、比較各地的峰林地形之後，還在總體差異上，對廣西、貴州、雲南三省的岩溶特征和類型，進行了比較分析：“粵西之山，有純石者，有間石者，各自分行獨挺，不相混雜。滇南之山，皆土峰繚繞，間有綴石，亦十不一二，故環窪為多。黔南之山，則界於二者之間，獨以逼聳見奇。滇山惟多土，故多壅流成海，而流多渾濁，惟撫仙湖最清。粵山惟石，故多穿穴之流，而水悉澄清。而黔流亦界於二者之間。”關於廣西、貴州、雲南三省岩溶地貌在總體差異上的這些對比分析，是很精辟的，與實際情況大致相符。此外，徐霞客在岩洞形態結構和河穀特征方麵，作了很多具體的比較研究，深化了對這些問題的認識；他還用比較法揭示了山地、平原對植被生長差異的影響。
第四，動手采集標本，甚至描繪圖樣。徐霞客所采的標本有植物和岩石兩類，據初步統計，采植物標本17次，其中采枝葉4次，花6次，莖4次，果實3次。崇禎十年（1637）在桂林寶積山上，他見“有百合花一枝，五萼甚钜，連根折之，肩而下山”，采了根莖葉花的完整標本。崇禎十二年（1639）在雲南點蒼山見到一種龍女樹，徐霞客記述了生態情況，采下了枝葉的標本，他說：“樹從根分挺三四大株，各高三四丈，葉長二寸半，闊半之，而綠潤有光，花白，大於玉蘭，亦木蓮之類，而異其名，時花亦已謝，止存數朵在樹杪，而高不可折，餘僅拆其空枝以行。”崇禎十一年（1638）徐霞客在廣西三裏聽了陸參戌介紹雲南的大理蝴蝶泉後，便於次年慕名而去。他在遊記中寫道：“泉上大樹，當四月初，即發花如蛺蝶，須翅栩然，與生蝶無異；又有真蝶萬千，自樹顛倒懸而下，及於泉麵，繽紛絡繹，五色煥然，……過五月乃已。”徐霞客到達這裏是三月十一日，時間太早，樹未開花，蛺蝶也沒來。為了研究這個問題，他便“折其枝，圖其葉而行”。這說明不僅采了標本，還繪了圖。除了植物標本外，徐霞客還采了一些岩石標本。崇禎十二年（1639）在雲南保山附近的水簾洞考察時，看見一種石樹，“其大拱把，其長丈餘，其中樹幹已腐，而石膚之結於外者，厚可五分，中空如巨竹之筒而無節，擊之聲甚清越”。這種石樹現在也叫樹根管鍾乳石，是由碳酸鈣凝結而成，較難見到。由於石樹太長攜帶不便，徐霞客隻斷其三尺帶走。當他細加保護帶著石樹離開水簾洞後，走到西邊不遠的地方，又發現一洞穴，入內觀察，琳琅滿目，他又擊取了鍾乳石的標本。崇禎十一年（1638）徐霞客在廣西三裏的白崖堡下洞中考察時，把注意力集中到某些特殊沉積形態上，而發現和采取了鵝管、穴盾和石枝三種標本。關於鵝管他作了這樣的描述：“折得石乳數十條，俱長六七寸，中空如管，外白如晶，天成白玉搔頭也。”
徐霞客在旅行考察中克服各種困難采集的這些植物和岩石標本，是十分珍貴的，反映了一個自然科學研究者重試驗的精神。去世前他的朋友陳函輝去探望時，見他“置怪石於榻前，摩挲相對”，他家鄉的《梧塍徐氏宗譜》卷五十三也說：“先生病足息遊，憩榻上，日陳滇中所攜大理石、奇樹虯根等於前。”這些怪石、奇樹虯根為當時人們所不理解，其實就是我們今天所說的岩石、植物標本。
綜上所述，明末的地理學家徐霞客，在資本主義萌芽的影響下，勇敢地衝破科舉製度的束縛，終生不入仕途，專心致誌於大自然的探索，向承襲附會的地理書籍提出了有力的挑戰，為地理學的研究開辟了新方向，在岩溶地貌，植物地理、水文地理、人文地理等多方麵取得了卓越成就，特別是岩溶地貌的考察研究尤為突出。19世紀以前西方隻有少數研究者對局部岩溶區域和某些岩溶現象作過觀察和解釋，而徐霞客卻在17世紀30年代即對熱帶、亞熱帶的岩溶現象作了大範圍、多數量的考察和較為係統的描述，並對岩溶現象的成因和地理分布，提出了明確的科學觀點，這是當時西方學者所未曾達到過的。至於他為獲得上述巨大成就而應用的研究方法，也被近代地理學家所繼承，今天仍不失為地理學研究的重要手段。徐霞客把自己的一生奉獻給了地理考察事業，他是一個具有堅強意誌、充滿冒險和探索精神的偉大學者。