李四光是中國傑出的地質學家，在地質學的許多領域都作出了巨大的貢獻。他是一位地層古生物學家，以□科化石精湛的研究，奠定了海相石炭二疊紀地質分界、分層和對比的基礎。他是一位第四紀冰川學家，肯定了中國第四紀冰川的存在，並對它的分布，分期和世界對比等方麵進行研究，成績卓著。他從力學觀點研究地質構造，創立了地質力學這一新興的學科，在地質構造理論和找礦應用方麵都大大地豐富了地質學的內容，大大開闊了地質發展領域。此外，他對地震地質和地熱地質等方麵也都做出了卓越的貢獻。
我國的北部，是煤炭資源豐富的地區，為了實地了解這些資源，1920年秋，李四光帶領地質係一年級學生8人，到河北省南部的六河溝煤礦實習；隨後，他又帶領學生到山西、河南、山東等地進行煤田地質調查。通過實地工作，他感到含煤地層的劃分，是個重要的問題。地層劃分不清楚，就不可能推知礦產生成的規律。而要解決這一問題，就必須首先研究保存在地層中的古代生物的演變曆史。為此，他采集了不少標本，主要是石炭二疊紀地層中所含的微體古生物□科化石標本，進行研究。石炭二疊記，是地質年代石炭紀、二疊紀的合稱。石炭紀是一個主要的造煤時代，分為早世、中世和晚世。二疊紀分為早世和晚世。對於□科化石的研究，當時在國際上已有幾十年的曆史，某些外國學者在中國也曾做過一些零星的工作，但由於采集的標本不多，層次也不係統，所得結論也就很難說明問題。李四光感到這一問題對煤田科學開采的迫切性，決心自己動手，開始中國人第一次對這類化石的係統研究。微體古生物鑒定，是一項很繁複而細致的工作。標本要從幾個不同的方向切成薄片，磨到約十分之幾毫米厚，再放到顯微鏡下觀察，看古生物體的內部結構。大量的薄片要認真觀察、細心比較和精心鑒定，為此李四光經常廢寢忘食地工作著。
□，是一種淺海的單細胞動物，棲居海底，靠絲狀的偽足伸縮爬行。由於首先發現的□外殼的形狀像紡錘，所以在國外被為“紡錘蟲”。□最初出現於石炭紀早期，曾廣泛分布於世界各地，種屬繁衍甚多，到二疊紀晚期滅絕。我國石炭二疊紀地層分布很廣，是世界上主要產□的地區之一。因此，對此研究各種□化石的形態、特征、確定它們種屬演化的關係，是詳細劃分石炭二疊紀含煤地層不可缺少的一種依據。
1923年1月，李四光提出了第一篇關於□科的論文，題目叫做《□蝸鑒定法》，一年之後，他又提出了《□蝸的新名詞描述》、《山西東北平定盆地之蝸》、《葛氏□蝸及其在□蝸族進化程序上之位置》三篇論文。我們可以看到，在這些論文中李四光沒有沿用“紡錘蟲”這個名詞，而新取名為“□蝸”，這主要是出於對紡錘蟲殼架構造特征的考慮。但由於“筵”不是生物，“筵蝸”這個名詞很容易被人誤解為“筵狀的蝸牛”，而實際上李四光的原意是“蝸狀之筵”。為此，他索性把“筵”字加上“蟲”字旁，這個“□”字就這樣被創造出來了。後來，他感到從古生物學上講，□是原生物門偽足綱有孔蟲目的一個科，為了徑直稱呼這類古生物，幹脆就把“□蝸”改稱為“□科”。從此，“□科”這個名詞就被我國古生物學家一直沿用下來。
李四光通過對大量的□科化石的鑒定，深感描述煩瑣，記載龐雜，茫無端倪。於是他創立了□科鑒定的十條標準，將□的主要特征，用若幹曲線表示出來。使之既有定性概念，也有定量概念；即可以減少文字描述的煩瑣，也提高了鑒定的準確性和科學性。這十條標準，後來也被中外學者采用或部分采用。
李四光運用十條標準，對中國北部的□科化石，進行了係統的研究，定出新屬20多個。第一個新屬，它命名為包爾頓屬，用以紀念他在伯明翰大學的老師包爾頓教授。包爾頓屬分為2個屬型，一個是李氏威爾士·巴爾頓□；一個是李氏盧·巴爾頓□。威爾士、和盧也是李四光在伯明翰大學時比較親近的兩位教師。李四光把最後兩個新屬命名為丁文江屬和翁文灝屬，以表示尊重丁、翁二人在開拓中國地質事業中作出的努力。截止到40年代初，在已建立的□屬中，他或他與人合作所建立的新屬，可占六分之一。
我國北部石炭二疊紀含煤地層，當時統稱為太原係。關於太原係的時代劃分，長期爭論不休。有的認為是屬於晚石炭紀的。有的認為是屬於早二疊紀的。李四光根據對□科的研究，把太原係分為上下兩段：下段稱為本溪係，劃歸中石炭紀；緊接著它上麵的，是山西係，屬下二疊世。這樣的劃分，解決了當時爭論不休的問題。此後，關於中石炭紀地層的存在，陸續發現了更多的證據，也逐漸被人們接受了。
經過幾年的研究，李四光的第一部科學專著《中國北部之□科》在1927年由中國地質調查中所作為“古生物學專著”出版了。李四光送了一本給伯明翰大學包爾頓教授，肯請批評指正，包爾頓看了非常高興，旋即向學校作了推薦，為此，伯明翰大學根據李四光對□科係統研究的貢獻，特授予他自然科學博士學位。科學博士在英國當時是最高的學位，是授予有特殊貢獻的科學家，英國開地質年會時科學博士都穿紅色禮服，很受人尊敬。後來，在三四十年代，李四光和他的學生陳旭一道，對中國南方的□科，又做了大量的研究工作，取得了重大的成就。我國華南石炭紀地層的名稱，上石炭統叫船山灰岩，中石炭統叫黃龍灰岩，都是李四光提出的。李四光對黃龍灰岩就建立了幾個□科的化石帶。到1945年挪威的奧斯陸大學因李四光發表了這些對古生物地層學研究頗有貢獻的文章，特贈予他哲學博士的學位，以示尊崇。
舊社會搞古物生的人很少，許多外國人都是懷著各種不同的目的來到中國搞地質。北京大學的教授葛利普是美國搞古生物的專家，他收集了豐富的中國地層古生物資料，寫了許多文章，但也有寫錯的。比如南京附近的棲霞灰岩，他說是早石炭紀的地層，還畫了古地理圖。但李四光說，那不是早石炭紀的，可能是二疊紀的。後來經黃汲清等人的研究，證明李四光的意見是正確的。但是，葛利普同那些為了帝國主義利益而到中國來搞地質調查的人，如法國的德日進、德國的李希霍芬、美國的威利斯、瑞典的安特生以及一些日本地質學家是不同的，還是為中國做了一些好事，培養了一些古生物研究人才，直到抗日戰爭時期死在中國。
李四光在地層古生物方麵的研究工作中，作出了卓越貢獻，是負有世界聲譽的古生物學家。
李四光在研究石炭二疊紀地層問題的同時，又發現了中國第四紀冰川。
1921年春夏之交，李四光領著學生到河北邢台南麵的沙河縣，作地質實習。沙河縣位於京漢線上，它的西麵是太行山麓。一天，他帶領學生，朝著東北方向橫穿沙河盆地時，望見遠處有一座中等高度的孤獨小山，外形圓滑，引起了他的注意。他打開地圖一看，這個山包叫沙源嶺。當他走到近處時，發現地麵上有一些奇怪的大石塊。他思索著：這些大石塊是從太行山上滾下來的嗎？滾不了這麼遠。是洪水衝下來的嗎？這麼大的石塊，也衝不到離山這麼遠的地方來。這時李四光腦子裏閃著一個問題：難道這是古冰川的遺跡？但他又想，從以往的一些資料看，華北在挽近地質時代，是一片幹冷的沙漠，溫度低而降雨量小，是否有可能發生過冰川？不能貿然決定。如果是冰川作用的堆積物，那就很有可能在堆積物中找到冰川條痕石。他立即進行係統而細致的觀察，果然在不少礫石的磨光麵上，找到一處又一處隱隱約約的擦痕，並且在一半掩半露的大石塊的平麵上，發現了三組不同方向的非常清晰的擦痕。他和學生們繼續前進，跨過一條小河，朝著東北方向的一座山神廟走去。這裏是一個凸出於黃土平原的圓丘，在它的周圍又發現了巨大石塊的堆積。這時，李四光漸漸感到，從這些現象來看，是冰川作用遺跡的可能性更大了。
這年的六七月間，李四光帶著這個問題到山西大同盆地，進行煤田地質調查。在大同西南約二十公裏的口泉附近，他發現一條東西方向延伸的山穀，長約數公裏，寬度比較均勻，穀身橫切麵呈U字形。他被這一現象吸引住了，他顧不得烈日當頭，走進了山穀。穀中散布著片麻岩、片岩、玄武岩以及其他火成岩的巨大石塊，但穀地及兩側均為砂岩所組成。穀中散布的這些大的石塊，顯然是從別處搬來的。這次他沒有猶豫，一看就認定是冰川U形穀，並在穀中找到了不少帶有擦痕的大石塊和卵石。
當時，在國際地質和地理學中長期流行著所謂中國內地第四紀無冰川的謬論。因為有無第四紀冰川涉及亞洲大陸是不是早期人類的起源地之一的問題。所以西方資產階級和中國買辦學者一直堅持中國第四紀無冰川說，借以販賣“中國文化西來說”，“西歐文化東漸論”等帝國主義反動理論。李四光不盲目聽信洋人的傳統結論，堅持正確認識應從實踐中來的觀點。他把這兩次觀察到的現象，作為一個重要的問題，用英文寫了一篇報導，題為《華北挽近冰川作用的遺跡》，寄給英國《地質雜誌》。在這篇報道中，他一開頭就說：在第三紀末或更新世初期，華北是否曾處於極地嚴寒情況之下？如果那時曾經一度降到極地的氣溫，又是否有足夠的降雨量以形成大冰流？地質學家根據以往的資料，一般認為，整個華北在挽近地質時期是處於沙漠廣布的條件下，因此自然傾向於否定大冰川存在的可能。但是，對於這個問題，僅從理論上來爭辯，是難以得出結果的，需要擺出確切的事實。
在第四紀冰川問題上，李四光的這篇報道，是向一些外國的地質權威，提出的第一次挑戰。因為在這之前，外國的地質地理名流，來中國考察的不乏其人，特別是德國地理地質學家李希霍芬，在我國先後作了7次地質調查，足跡遍及南北，著有《中國》三卷，但對於冰川遺跡，很少涉及。因此，許多中外地質地理學者也都默認中國無第四紀冰川可言。李四光的這篇報道，打破了中國近代冰川研究方麵的沉寂局麵，引起了國內外地質地理界的重視和爭論，也為我國第四紀地質的研究揭開了新的一頁，它的意義遠遠超過了報道所及的範圍。
1922年5月26日，在中國地質學會第三次全體會員大會上，李四光作了《中國第四紀冰川作用的證據》的學術演講，提出了在挽近地質時代整個華北地區並不像過去那種說法，完全是一片沙漠幹旱世界，而是和歐美一樣，曾經發育過第四紀冰川。證據就是太行山東麓及大同盆地發現的冰川作用的遺跡。當時參加這次大會的北洋政府農商部顧問、瑞典地質學家安特生，聽了李四光的演講，隻是輕蔑地一笑，態度非常冷淡，這使李四光感到頗為驚訝。安特生當時時在地質調查所內的影響是很大的，“顧問大人”一言不發，本來對此說法感興趣的地質工作者，也就不便於表態了。然而，李四光並沒有因此放棄對第四紀冰川的研究，隻是當時他為解決石炭二疊紀的分層問題，把主要精力放在了古生物□科的研究上，對中國有無第四紀冰川的爭論，暫時尚無暇顧及罷了。
1931年夏天，李四光帶領學生到江西廬山實習。廬山屹立在長江南岸鄱陽湖邊，挺拔秀麗的風姿早已在我國文化史上留下無數令人神往的佳話。宋代蘇軾的“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同，不識廬山真麵目，隻緣身在此山中。”好似一幅素描，勾畫出廬山奇峰峻嶺的輪廓，使人們神思遐想；李白的一首“日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。”的絕句，仿佛將人們帶到深穀聆聽激蕩的水聲，觀看到霧氣折光的色彩……
今天，李四光又尋著上古人的足跡，去探尋它的科學秘密。
廬山上下溫差較大，山坡陡峭，樹木參天，瀑布層疊飛躍，池潭湖水高低分布，這些構成了廬山勝景，可人工建築的登山道路隻有北麵一條，對全麵考察冰川非常困難。李四光帶領學生們在這東西約10公裏，南北約25公裏的山區，從西南向東北順序地觀察。一天，李四光和學生們登上含鄱嶺向東眺望，被眼前的月輪山地貌吸引住了。在這海拔900米以上的崇山峻嶺中，溪水日夜川流不息，為什麼穀地不顯得深峻，反而很平緩？穀底的土壤中夾雜著許多大大小小的石礫，有的雖經長期風化，表麵上還能隱約看到一些模糊的刻痕。這樣的平底穀是如何形成的？這些泥礫又是怎麼來的？這成了李四光的頭腦中考慮的焦點。這裏是不是可能發生過冰川呢？這個被擱置多年的問題重新在他的腦海中，這是一個十分嚴肅的問題，必須做更細致的工作，以便找到確切的事實證據。
1934年，李四光再次來到廬山，根據上一次看到的線索，李四光對含鄱嶺東進一步作了勘查。
為了取得第一手可靠資料，他不畏艱險，爬高山、攀懸崖，穿密林、涉深穀，終於發現了大量的冰川活動的遺跡。綜合廬山地區和江南若幹地點的觀察結果李四光得出了一條非常重要而有啟發性的意見，認為中國第四紀冰川主要是山穀冰川，隻有山穀冰川特別發育的山區，才有山麓冰川的發生。這個意見，為以後第四紀冰川的研究工作提出了方向，為有誌於從事這方麵工作的人，找到了打開第一道奧秘之門的金鑰匙。他準備和有誌於研究中國地質新問題的同行人分享這種喜悅，也準備麵對對中國第四紀冰川持反對意見者的非難。