李四光在研究工作中，不受國外傳統地質學說的束縛，而是從實際出發，敢於破除傳統學說中孤立地單純描述地質構造現象的方法和結論，堅持用辯證唯物主義觀點，去探索事物之間的內在聯係。他認為，書當然是要讀的，但也不一定讀的太多，反正書是讀不完的。讀書是了解別人對問題的看法，供自己思考問題時參考，主要的是不要受書本的束縛，要獨立思考，發現問題，解決問題。李四光教育學生，“做研究工作時，要先看實物標本，不要先查閱外國參考書，免得先入為主，處處受他人思想的束縛，要以我為主，先看化石的外形，再用放大鏡、顯微鏡仔細觀察化石的結構，自己進行描述，掌握它的特點，從實際出發，自己分析，提出論據，然後再翻譯各國的參考書，進行比較和鑒定。”
李四光是這樣說的，也是這樣做的。李四光的科學知識是十分淵博的，在地質科學範疇內，他的研究也是多方麵的。但他很少對別人有所評論，也很少對別人的觀點輕易宣傳。他總是有他自己的看法，埋頭苦幹，深入研究，反複驗證，得出結論。他在20年代曾花費了好幾年的時間研究□科化石，為的是解決石炭二疊紀的界限，分層和對比問題。當時世界上的□科專家已有不少，各有各的說法。李四光並受別人影響，自己從研究□科的構造開始，探索它們的發展方向，定出它們發生、發展和消滅的次序規律，以此為依據劃分地層、對比地層。對石炭二疊紀地層的分界、分層和對比作出巨大貢獻，也為□科的生物學研究大大地提高一步。
李四光對第四紀冰川問題的貢獻也是獨立思考的成果。在第四紀時，整個地球上是個寒冷的時代，發生過幾次普遍的冰川時期。這是大家公認的事實。而中國這麼大的地區卻還沒有人說過有第四紀冰川的存在，甚至還有人說就是沒有第四紀冰川。李四光不盲目相信別人的說法。他認為世界上普遍存在的第四紀冰川，唯獨在中國這塊土地上從未發生過，是很難理解的。不存在像歐洲那樣的大冰蓋當然是可以的，連山嶽冰川都不存的話，將如何去解釋呢？究竟是有或無，關鍵是認識問題。不認識會把有說成無，認錯了也會把無說成有。他前後花費了十多年的功夫鑽研這一問題，終於證實了第四紀冰川在中國確實存在而且屬山嶽冰川類型，並進行了冰川分期，基本上和歐洲可以對比起來。現在這個問題已經完全是定論了。
他從力學觀點研究地質構造，創立了地質力學這一新的科學。他認為地球既然是太陽係的一顆行星，是運動著的實體。一個實體的運動和由運動所發生的種種形跡，都必然要受力學原理的控製。因此，對一切構造形跡，都必然能夠作出力學的解釋。多年鑽研結果，創建了地質力學這一新的學科，使地質構造的知識更係統化、更理論化、更科學化、更實用化了。
地質學是以研究自然現象為主的科學，觀察自然現象是地質學最基礎的工作。觀察不仔細，就會視而不見。不能看到自然現象的本質，必然也不能對自然現象真正認識和理解。現象隻是現象，它如何形成，如何發展，彼此有什麼關係，必須深入分析才能理解，才能真正認識。對一些現象觀察分析認識的結果，可能是正確的，也可能是偶然的，必須反複驗證，才能得出真正的結論。拿出結論是很慎重的。李四光的這種治學精神十分突出。
在一處紅砂岩地區的小山穀出口的，山坡上沙礫堆積，這本是平常的現象。住在那裏的人也習以為常。然而，李四光一看就看出了問題，他看到沙礫層的傾斜是向內的而不是向外的。通過觀察他發現礫石的成分是複雜的，不單是一地的礫岩碎塊。仔細觀察，深入分析之後，他認為這不是一般的河流衝積或山坡堆積而是冰川沉積物。最終經過多次實地考察、驗證，肯定了那一地區第四紀冰川的存在。
他看到有些山脈是西北東南走向的，有的是東北西南走向的，兩山相接處連成弧形。有時這兩種方向的山脈之間還有南北走向的山脈。山脈的走向常人看來好像雜亂無章，然而，經他仔細觀察發現，三種不同走向的山脈不是孤立的，各種各樣的。它們之間有著密切的聯係。形似山字，稱山字形構造體係。它是由於地層向南運動，兩端遇到阻力，中間繼續南移，從而構成弧形。由於力的分解和相互作用，中間也形成了南北向的山脈。褶皺山脈的形成，不是簡單地兩邊向中間一擠了事，各有各的具體情況。這樣地仔細觀察、深入分析、反複驗證，他發現地球表麵有種種的構造形態，形成構造體係，都是在力學原理控製下，地殼規律運動的結果，最後創立了地質力學這一新的學科。他決不輕易提出結論性的意見，總要反複驗證，各個方麵都講得通時，才拿出結論來。知之為知之，不知為不知，實事求是和謙虛謹慎的精神，突出地貫徹在他的科研工作和日常生活之中。
李四光認為，真正做學問的，即要尊重前人的研究成果，又要以事實為依據，允許懷疑，提倡懷疑，“不懷疑不能見真理”。早在他留學英國期間，就逐漸養成了一個習慣，即每選一門新的學科，就廣泛地搜集這門學科的有關材料和文獻，了解它的發展史，以及這門學科有關的理論，應用範圍和現狀。這樣，他的科學知識越來越淵博。近代地質學，可以說是從歐洲西北角開始發展起來的。在啟蒙時代的地質論戰中，英國的某些地質學家，如用火成論戰勝水成論的赫頓，用均變論戰勝災變論的賴爾，都做出了重要的貢獻。李四光對這些成就卓越的地質先驅們的論著，進行過細心的研讀，同時，對地質學有創新的其他學者的著作，也都很感興趣。他認為，凡是新的見解，都是極其寶貴的；凡是創新的工作，都是應該受到尊重的。同時，李四光從這些廣泛的研讀中，也漸漸地感到，無論哪一位科學工作者，他們在解釋與論證地質現象的時候，都是以他們各自所見到的事實作為依據的，憑各人所見難免有片麵之處，論點論證的難免有不足的地方，鑒於此，後人需要揚長避短，通過新觀察到的事實去加以補充和態充實。
李四光在青年時代，在一篇文章中談到治學態度時說道：“真正治學的態度，可以用一句話概括，那就是為真理而奮鬥”。火一般追求真理的願望，無止境地探索新事物的熱情，被認為是有獨創性科學家的優秀品質，李四光就是具有這種品質科學家中的一員。
科學是一項充滿艱險的事業，因為每一項具有革命性的新發現，新理論的出現，總與當時流行的占統治地位的觀念相衝突，冒犯、觸犯某些人的利益。人們都憑自己的經驗、知識、習慣和當時流行觀念來判斷新事物的強烈傾向，對新設想，常有一種抵觸心理和冷漠態度。因而每一項創新、發明，總不可避免地會遇到種種阻礙。新發現革命性愈強，它們遇到的阻礙也就愈大。如果是超時代貢獻的科學家，不僅需要具備超人的德、才、學、識，而且要有為真理而不顧一切的鬥爭勇氣。正如伽利略所說：“追求科學真理需要特殊的勇敢”。
成年人思想領域內，常有一種惰性，那就是對舊事物、舊觀念百般容忍，遷就；對新事物，新觀念，百般挑剔、抵觸或是回避。英國的貝弗裏奇稱之為“攻擊——逃避”反映。這種心理形成一種無形的社會壓力，使得曆史上許多有才華的科學工作者，麵臨新發現的大門，而屈服於這種壓力，放棄研究，以至於胎死腹中，正如馬克思說：“在科學的入口處，正像在地獄的入口處一樣，必須提出這樣的要求，這裏必須根絕一切猶豫，這裏任何怯懦，都無濟於事。”
李四光大半生都處於半殖民地半封建的舊中國，在這樣一個特定的曆史條件下，他要在科學上做出前人沒有做過的事業，發現前人沒有發現的問題，提出前人沒有提出的理論，除了上述社會心理障礙之外，還會遇到更多一層困難。他發現了中國第四紀冰川遺跡，這本是科學上的重要發現，但就是因為外國人在中國沒有發現，不僅不被承認，反而遭到冷嘲熱諷，引起了麻煩。他創建了地質力學這一新學科，有自己的指導思想、理論基礎和嚴密的工作步驟、工作方法，就是因為與外國不同，也遭到人們的非議和冷漠對待。李四光在《我們所經曆的兩條道路的鬥爭》一文中，回顧這段曆史時說：“對我來說，這裏出現了兩條道路，其一，放棄土法，連同土法獲得的並經過了考驗的若幹科學成果也一樣放棄，轉過來采取人雲亦雲的方針，不越出抄襲或脫胎於洋法的範圍。其二，是堅決地把守住我們已經占據的陣地，不作分寸的後退，繼續戰鬥下去……這兩條道路的抉擇，當時也是有些困難的。抉擇的核心問題，就是要不要為真理而奮鬥。”李四光在此情況下，並沒有畏縮後退，他說：“真理，哪怕是隻見到一線，我們也不能讓它的光輝變得暗淡，我們要繼續戰鬥。”他常拿哥白尼來激勵自己，並以此來教育青年。科學家這種為科學真理而不顧一切的獻身精神，是市儈庸人們無法理解的。正是這種威武不能屈，貧賤不能移，為真理而鬥爭的精神，使他在極其艱難的條件下，奠定了我國第四紀冰川學的基礎，創建了地質力學理論，為中華民族贏得了光榮。