李希霍芬早年曾研究蒂罗尔和阿尔卑斯山脉地质，成功地建立了南蒂罗尔的三叠系层序。他对喀尔巴阡山、多洛米蒂山和特兰西瓦尼亚区域地质的研究也卓有成效。1860年，他作为地质学家，应邀随同德国经济使团去远东，访问了锡兰（今斯里兰卡）、日本、台湾、西里伯斯、爪哇、菲律宾，并从曼谷旅行到缅甸的毛淡棉。1863年—1868年在美国加利福尼亚进行地质调查，发现了金矿。

　　李希霍芬1868年9月到中国进行地质地理考察，直至1872年5月，将近4年，走遍了大半个中国（14个省区）。回国之后，从1877年开始，他先后写出并发表了五卷并带有附图的《中国──亲身旅行的成果和以之为根据的研究》。这套巨著是他4年考察的丰富实际资料研究的结晶，对当时及以后的地学界都有重要的影响。

　　他在《中国》第1卷里，以专门的章节论述了中国的黄土，最早提出了中国黄土的“风成论”。他也采集了大量各门类化石，收集了很多各时代地层资料。德国古生物学家弗莱希、施瓦格、凯塞尔等对李希霍芬所采化石的研究论文也发表在《中国》各卷中。李希霍芬在辽宁、山东、山西和河北北部建立了3条系统剖面。他首先提出了“五台系”和“震旦系”等地层术语。

　　他对中国造山运动所引起的构造变形有开创性的研究。他在山东、北京西山、大青山、五台山等地发现了许多褶曲和正断层，在泰岭发现了逆掩构造，在《中国》第2卷中的“中国北方构造图”上，他画了一条被称为“兴安线”的推断构造线，从兴安岭经太行山，一直达到宜昌附近。他还提出了中国北方有一个古老的“震旦块”，是一个具时间关系的地质构造单元。

　　他在《中国》第2、3卷中，将中国各地火成岩作为地层剖面中的一部分加以描述，如辽东古老的高丽花岗岩，秦岭天台山志留纪花岗岩，南京山地花岗岩、安山岩和玄武岩等。

　　近代早期来华考察的地学家中，经历时间之长、搜集资料之丰富、发表著作分量之大，李希霍芬是极为突出的。他为中国地质、地理之研究，作了奠基性、开创性的贡献，尤其为当时的中国带来了近代西方地学、甚至整个自然科学的思想和方法，他是近代中国和西方国家科学交流的重要先驱，对近代中国地质学、地理学的产生和发展具有重大影响。