李四光是中国杰出的地质学家，在地质学的许多领域都作出了巨大的贡献。他是一位地层古生物学家，以□科化石精湛的研究，奠定了海相石炭二叠纪地质分界、分层和对比的基础。他是一位第四纪冰川学家，肯定了中国第四纪冰川的存在，并对它的分布，分期和世界对比等方面进行研究，成绩卓著。他从力学观点研究地质构造，创立了地质力学这一新兴的学科，在地质构造理论和找矿应用方面都大大地丰富了地质学的内容，大大开阔了地质发展领域。此外，他对地震地质和地热地质等方面也都做出了卓越的贡献。
我国的北部，是煤炭资源丰富的地区，为了实地了解这些资源，1920年秋，李四光带领地质系一年级学生8人，到河北省南部的六河沟煤矿实习；随后，他又带领学生到山西、河南、山东等地进行煤田地质调查。通过实地工作，他感到含煤地层的划分，是个重要的问题。地层划分不清楚，就不可能推知矿产生成的规律。而要解决这一问题，就必须首先研究保存在地层中的古代生物的演变历史。为此，他采集了不少标本，主要是石炭二叠纪地层中所含的微体古生物□科化石标本，进行研究。石炭二叠记，是地质年代石炭纪、二叠纪的合称。石炭纪是一个主要的造煤时代，分为早世、中世和晚世。二叠纪分为早世和晚世。对于□科化石的研究，当时在国际上已有几十年的历史，某些外国学者在中国也曾做过一些零星的工作，但由于采集的标本不多，层次也不系统，所得结论也就很难说明问题。李四光感到这一问题对煤田科学开采的迫切性，决心自己动手，开始中国人第一次对这类化石的系统研究。微体古生物鉴定，是一项很繁复而细致的工作。标本要从几个不同的方向切成薄片，磨到约十分之几毫米厚，再放到显微镜下观察，看古生物体的内部结构。大量的薄片要认真观察、细心比较和精心鉴定，为此李四光经常废寝忘食地工作着。
□，是一种浅海的单细胞动物，栖居海底，靠丝状的伪足伸缩爬行。由于首先发现的□外壳的形状像纺锤，所以在国外被为“纺锤虫”。□最初出现于石炭纪早期，曾广泛分布于世界各地，种属繁衍甚多，到二叠纪晚期灭绝。我国石炭二叠纪地层分布很广，是世界上主要产□的地区之一。因此，对此研究各种□化石的形态、特征、确定它们种属演化的关系，是详细划分石炭二叠纪含煤地层不可缺少的一种依据。
1923年1月，李四光提出了第一篇关于□科的论文，题目叫做《□蜗鉴定法》，一年之后，他又提出了《□蜗的新名词描述》、《山西东北平定盆地之蜗》、《葛氏□蜗及其在□蜗族进化程序上之位置》三篇论文。我们可以看到，在这些论文中李四光没有沿用“纺锤虫”这个名词，而新取名为“□蜗”，这主要是出于对纺锤虫壳架构造特征的考虑。但由于“筵”不是生物，“筵蜗”这个名词很容易被人误解为“筵状的蜗牛”，而实际上李四光的原意是“蜗状之筵”。为此，他索性把“筵”字加上“虫”字旁，这个“□”字就这样被创造出来了。后来，他感到从古生物学上讲，□是原生物门伪足纲有孔虫目的一个科，为了径直称呼这类古生物，干脆就把“□蜗”改称为“□科”。从此，“□科”这个名词就被我国古生物学家一直沿用下来。
李四光通过对大量的□科化石的鉴定，深感描述烦琐，记载庞杂，茫无端倪。于是他创立了□科鉴定的十条标准，将□的主要特征，用若干曲线表示出来。使之既有定性概念，也有定量概念；即可以减少文字描述的烦琐，也提高了鉴定的准确性和科学性。这十条标准，后来也被中外学者采用或部分采用。
李四光运用十条标准，对中国北部的□科化石，进行了系统的研究，定出新属20多个。第一个新属，它命名为包尔顿属，用以纪念他在伯明翰大学的老师包尔顿教授。包尔顿属分为2个属型，一个是李氏威尔士·巴尔顿□；一个是李氏卢·巴尔顿□。威尔士、和卢也是李四光在伯明翰大学时比较亲近的两位教师。李四光把最后两个新属命名为丁文江属和翁文灏属，以表示尊重丁、翁二人在开拓中国地质事业中作出的努力。截止到40年代初，在已建立的□属中，他或他与人合作所建立的新属，可占六分之一。
我国北部石炭二叠纪含煤地层，当时统称为太原系。关于太原系的时代划分，长期争论不休。有的认为是属于晚石炭纪的。有的认为是属于早二叠纪的。李四光根据对□科的研究，把太原系分为上下两段：下段称为本溪系，划归中石炭纪；紧接着它上面的，是山西系，属下二叠世。这样的划分，解决了当时争论不休的问题。此后，关于中石炭纪地层的存在，陆续发现了更多的证据，也逐渐被人们接受了。
经过几年的研究，李四光的第一部科学专著《中国北部之□科》在1927年由中国地质调查中所作为“古生物学专著”出版了。李四光送了一本给伯明翰大学包尔顿教授，肯请批评指正，包尔顿看了非常高兴，旋即向学校作了推荐，为此，伯明翰大学根据李四光对□科系统研究的贡献，特授予他自然科学博士学位。科学博士在英国当时是最高的学位，是授予有特殊贡献的科学家，英国开地质年会时科学博士都穿红色礼服，很受人尊敬。后来，在三四十年代，李四光和他的学生陈旭一道，对中国南方的□科，又做了大量的研究工作，取得了重大的成就。我国华南石炭纪地层的名称，上石炭统叫船山灰岩，中石炭统叫黄龙灰岩，都是李四光提出的。李四光对黄龙灰岩就建立了几个□科的化石带。到1945年挪威的奥斯陆大学因李四光发表了这些对古生物地层学研究颇有贡献的文章，特赠予他哲学博士的学位，以示尊崇。
旧社会搞古物生的人很少，许多外国人都是怀着各种不同的目的来到中国搞地质。北京大学的教授葛利普是美国搞古生物的专家，他收集了丰富的中国地层古生物资料，写了许多文章，但也有写错的。比如南京附近的栖霞灰岩，他说是早石炭纪的地层，还画了古地理图。但李四光说，那不是早石炭纪的，可能是二叠纪的。后来经黄汲清等人的研究，证明李四光的意见是正确的。但是，葛利普同那些为了帝国主义利益而到中国来搞地质调查的人，如法国的德日进、德国的李希霍芬、美国的威利斯、瑞典的安特生以及一些日本地质学家是不同的，还是为中国做了一些好事，培养了一些古生物研究人才，直到抗日战争时期死在中国。
李四光在地层古生物方面的研究工作中，作出了卓越贡献，是负有世界声誉的古生物学家。
李四光在研究石炭二叠纪地层问题的同时，又发现了中国第四纪冰川。
1921年春夏之交，李四光领着学生到河北邢台南面的沙河县，作地质实习。沙河县位于京汉线上，它的西面是太行山麓。一天，他带领学生，朝着东北方向横穿沙河盆地时，望见远处有一座中等高度的孤独小山，外形圆滑，引起了他的注意。他打开地图一看，这个山包叫沙源岭。当他走到近处时，发现地面上有一些奇怪的大石块。他思索着：这些大石块是从太行山上滚下来的吗？滚不了这么远。是洪水冲下来的吗？这么大的石块，也冲不到离山这么远的地方来。这时李四光脑子里闪着一个问题：难道这是古冰川的遗迹？但他又想，从以往的一些资料看，华北在挽近地质时代，是一片干冷的沙漠，温度低而降雨量小，是否有可能发生过冰川？不能贸然决定。如果是冰川作用的堆积物，那就很有可能在堆积物中找到冰川条痕石。他立即进行系统而细致的观察，果然在不少砾石的磨光面上，找到一处又一处隐隐约约的擦痕，并且在一半掩半露的大石块的平面上，发现了三组不同方向的非常清晰的擦痕。他和学生们继续前进，跨过一条小河，朝着东北方向的一座山神庙走去。这里是一个凸出于黄土平原的圆丘，在它的周围又发现了巨大石块的堆积。这时，李四光渐渐感到，从这些现象来看，是冰川作用遗迹的可能性更大了。
这年的六七月间，李四光带着这个问题到山西大同盆地，进行煤田地质调查。在大同西南约二十公里的口泉附近，他发现一条东西方向延伸的山谷，长约数公里，宽度比较均匀，谷身横切面呈U字形。他被这一现象吸引住了，他顾不得烈日当头，走进了山谷。谷中散布着片麻岩、片岩、玄武岩以及其他火成岩的巨大石块，但谷地及两侧均为砂岩所组成。谷中散布的这些大的石块，显然是从别处搬来的。这次他没有犹豫，一看就认定是冰川U形谷，并在谷中找到了不少带有擦痕的大石块和卵石。
当时，在国际地质和地理学中长期流行着所谓中国内地第四纪无冰川的谬论。因为有无第四纪冰川涉及亚洲大陆是不是早期人类的起源地之一的问题。所以西方资产阶级和中国买办学者一直坚持中国第四纪无冰川说，借以贩卖“中国文化西来说”，“西欧文化东渐论”等帝国主义反动理论。李四光不盲目听信洋人的传统结论，坚持正确认识应从实践中来的观点。他把这两次观察到的现象，作为一个重要的问题，用英文写了一篇报导，题为《华北挽近冰川作用的遗迹》，寄给英国《地质杂志》。在这篇报道中，他一开头就说：在第三纪末或更新世初期，华北是否曾处于极地严寒情况之下？如果那时曾经一度降到极地的气温，又是否有足够的降雨量以形成大冰流？地质学家根据以往的资料，一般认为，整个华北在挽近地质时期是处于沙漠广布的条件下，因此自然倾向于否定大冰川存在的可能。但是，对于这个问题，仅从理论上来争辩，是难以得出结果的，需要摆出确切的事实。
在第四纪冰川问题上，李四光的这篇报道，是向一些外国的地质权威，提出的第一次挑战。因为在这之前，外国的地质地理名流，来中国考察的不乏其人，特别是德国地理地质学家李希霍芬，在我国先后作了7次地质调查，足迹遍及南北，著有《中国》三卷，但对于冰川遗迹，很少涉及。因此，许多中外地质地理学者也都默认中国无第四纪冰川可言。李四光的这篇报道，打破了中国近代冰川研究方面的沉寂局面，引起了国内外地质地理界的重视和争论，也为我国第四纪地质的研究揭开了新的一页，它的意义远远超过了报道所及的范围。
1922年5月26日，在中国地质学会第三次全体会员大会上，李四光作了《中国第四纪冰川作用的证据》的学术演讲，提出了在挽近地质时代整个华北地区并不像过去那种说法，完全是一片沙漠干旱世界，而是和欧美一样，曾经发育过第四纪冰川。证据就是太行山东麓及大同盆地发现的冰川作用的遗迹。当时参加这次大会的北洋政府农商部顾问、瑞典地质学家安特生，听了李四光的演讲，只是轻蔑地一笑，态度非常冷淡，这使李四光感到颇为惊讶。安特生当时时在地质调查所内的影响是很大的，“顾问大人”一言不发，本来对此说法感兴趣的地质工作者，也就不便于表态了。然而，李四光并没有因此放弃对第四纪冰川的研究，只是当时他为解决石炭二叠纪的分层问题，把主要精力放在了古生物□科的研究上，对中国有无第四纪冰川的争论，暂时尚无暇顾及罢了。
1931年夏天，李四光带领学生到江西庐山实习。庐山屹立在长江南岸鄱阳湖边，挺拔秀丽的风姿早已在我国文化史上留下无数令人神往的佳话。宋代苏轼的“横看成岭侧成峰，远近高低各不同，不识庐山真面目，只缘身在此山中。”好似一幅素描，勾画出庐山奇峰峻岭的轮廓，使人们神思遐想；李白的一首“日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川。飞流直下三千尺，疑是银河落九天。”的绝句，仿佛将人们带到深谷聆听激荡的水声，观看到雾气折光的色彩……
今天，李四光又寻着上古人的足迹，去探寻它的科学秘密。
庐山上下温差较大，山坡陡峭，树木参天，瀑布层叠飞跃，池潭湖水高低分布，这些构成了庐山胜景，可人工建筑的登山道路只有北面一条，对全面考察冰川非常困难。李四光带领学生们在这东西约10公里，南北约25公里的山区，从西南向东北顺序地观察。一天，李四光和学生们登上含鄱岭向东眺望，被眼前的月轮山地貌吸引住了。在这海拔900米以上的崇山峻岭中，溪水日夜川流不息，为什么谷地不显得深峻，反而很平缓？谷底的土壤中夹杂着许多大大小小的石砾，有的虽经长期风化，表面上还能隐约看到一些模糊的刻痕。这样的平底谷是如何形成的？这些泥砾又是怎么来的？这成了李四光的头脑中考虑的焦点。这里是不是可能发生过冰川呢？这个被搁置多年的问题重新在他的脑海中，这是一个十分严肃的问题，必须做更细致的工作，以便找到确切的事实证据。
1934年，李四光再次来到庐山，根据上一次看到的线索，李四光对含鄱岭东进一步作了勘查。
为了取得第一手可靠资料，他不畏艰险，爬高山、攀悬崖，穿密林、涉深谷，终于发现了大量的冰川活动的遗迹。综合庐山地区和江南若干地点的观察结果李四光得出了一条非常重要而有启发性的意见，认为中国第四纪冰川主要是山谷冰川，只有山谷冰川特别发育的山区，才有山麓冰川的发生。这个意见，为以后第四纪冰川的研究工作提出了方向，为有志于从事这方面工作的人，找到了打开第一道奥秘之门的金钥匙。他准备和有志于研究中国地质新问题的同行人分享这种喜悦，也准备面对对中国第四纪冰川持反对意见者的非难。
1933年11月，中国地质学会第十次年会在北京举行。李四光以《扬子江流域之第四纪冰期》为题，做了学术演讲。在讲演中，他详细地论述了庐山地区的第四纪冰川遗迹。当时参加讲座的中外地质界著名人士有翁文灏、北大地质系教授谢家荣、杨钟健、葛利普、德日进、德国地质学家尼斯特拉姆、瑞典地质学家诺林等。他们大都对中国有第四纪冰川持怀疑态度。会后，由翁文灏、丁文江筹集了一笔钱，于1934年春邀请英国地质学家巴尔博、德日进、诺林等外国学者，到庐山考察。中国地质学者，除丁、翁二人，还有李四光、喻德渊、杨钟健等人。李四光以主讲人身份，引着中外学者，观看了冰川遗迹，一一讲述了自己的见解。在实地观察中，许多人对这里的奇特地形表示惊讶。诺林私下告诉李四光说：假如这些现象在我家乡发现，毫无疑问是冰川造成的。巴尔博、德日进仍持反对观点，他们以未发现冰期生物群化石，断定无第四纪冰川的存在。他们认为庐山地区的泥砾堆积，是岩石碎块在潮湿情况下缓慢流动的产物，纯属融冻泥流之类。对于这些，李四光当然不能同意。这场讨论，由于对方偏见和缺乏探讨问题的态度，没有什么结果。这使李四光更加感到，为了打破这些“科学怀疑派”所属守的旧观点，很必要有把问题引向广泛深入的讨论。
1936年5月，李四光赴黄山考察，发现了长江下游确有第四纪冰川活动的证据，并用英文写成《安徽黄山之第四纪冰川现象》一文，发表在《中国地质年会志》上。这篇论文虽然不到三千字，却引起了中外学者们的极大注意。当时，在南京中央大学任教的德国知名冰川学专家费斯曼，读了李四光的文章大为吃惊，专门两次去黄山看冰川遗迹。回来后，费斯曼高兴地连声说：“看到了，看到了，这是一个翻天覆地的发现。”并立即给德国的土壤冰川杂志写了文章。李四光对中国第四纪冰川的贡献，第一次得到外国科学家的公开承认。
黄山第四纪冰川遗迹发现之后，李四光仍不满足已获得的材料，于1936年7月，再赴庐山考察，获得了大量的证据。李四光认为：“至是，中国冰期冰川现象，始得谓之确定。”“客之怀疑冰川现象者，至此可以涣然冰释矣”。1937年，李四光将在庐山考察所得，写成《冰期之庐山》。这一部科学专著，全面系统地论述了庐山地区的第四纪冰川遗迹，划分了冰期与间冰期；并与欧洲阿尔卑斯地区作了对比，为我国第四纪冰川地质的研究打开了大门，作出了范例。经过20多年的论战，李四光终于以自己的大量实证，推翻了西方资产阶级“探险家”们的错误结论。肯定冰川遗迹的存在，不仅对地质学、地理学、人类学的研究有很大的贡献，而且对在社会主义建设中找矿、找水、筑路、架桥等工程建设，也有很大的价值，也为气候学的研究揭开了新的篇章。
对地质力学的研究和学科创建，是李四光一生用的心思最多，付出的劳动最大的一项工作，这也是他一生科研活动中贡献最大，在地质科学领域里影响最广的一门学科。这门学科的创建为研究地质现象，特别是构造现象的发生发展、相互联系、复合转化以及改造与建造的相互关系等等，提供了一个崭新的方法，为研究地壳运动问题，开辟了一条新的途径。为人们认识自然和改造自然，都起着重要作用。
18世纪以前的地质学，由于它的研究方法停留在直观和猜测上，因此没有超出矿物学的胚胎阶段，甚至还深深禁锢在神学之中。后来，德国地质学家维尔纳创立的“水成论”逐渐发展起来，在地质学中占了统治地位。这个学派，总结了当时的矿物学、岩石学知识和地质时代划分的知识，并予以系统的分类，这对地质学的发展起到一定作用。但在地质概念上，他们片面地认为，地壳中所有岩石和矿石都是在水中沉积而成的。同时，在思想体系上仍然没有摆脱神学的影响。
作为科学的地质学发源于18世纪的欧洲。18世纪末叶到19世纪30年代被称为“地质学的英雄时代”，这是因为在方法上和理论上都有了重大的进展。欧洲工业革命的蓬勃兴起，使矿业的开发、运河的开掘、路基的开挖日益扩大，揭露出地下各种岩石和大量的化石，为地质学的发展提供了丰富的资料。在这个基础上建立了将今论古法和化石对比法，为地质学从神学中解放出来开辟了道路，涌现出赫顿、史密斯、居维叶、赖尔、魏格纳等一大批地质科学家和地质科学理论。
李四光对地质力学的研究在始于20世纪20年代初期。关于大陆运动起源的非常争论激烈非常，各个学派，以至于每个放眼世界的地质工作者，都纷纷提出自己的看法，形成了众多派别。李四光把它们概括为两大派别：一是传统学派，认为地球在长期存在过程中，由于逐渐失热或其他原因而收缩，以致海洋部分，如太平洋等，发生了显著的沉降。而大陆部分，总的趋势，也朝着地心沉降；但在局部地区，由于收缩沉降的速度不同，发生相对上升和下降运动，因而发生了褶皱和断裂现象。这一学派的观点，主张以垂直运动为主，水平运动为次，水平运动是由于垂直运动派生出来的。
另一学派认为，地壳运动以水平运动为主的大陆漂流学派。他们在认识了均衡现象的基础上，认为主要由硅铝层构成的大陆，是浮在由硅镁层构成的基底上面的，并且认为大陆部分能够在它的基底即由硅镁层构成海底上面，发生水平滑动，造成大规模的相对水平位移。在大陆漂移学派中，又分几个支派。其中最引人瞩目的是奥地利地球物理学家魏格纳的大陆漂移说。这一派综合运用地球物理学、地层学、古生物学、古气候学和大地测绘学等各种办法，总结运用地学各领域的资料，对大陆漂移提出比较有系统的证据，认为现今各大陆原是一个统一的原始大陆，后来在某些地质时代，地球表面上古气候带的巨大变化，使这块大陆分裂漂移，逐渐地形成了今天的状态。所以，大西洋东西两岸的海岸线形状相似，假若把它们拼凑一起，可以吻合起来；南北美大陆和欧非大陆，特别是非洲大陆和南美大陆上，某些同时代的古生物群之间有密切的联系；南非洲和南美洲某些沉积建造的特点，具有极大相似性。
另一支派，如约里提出了关于硅铝层岩石的放射性作用和大陆表面形状之间关系的问题。根据约里在硅铝层中采取的若干岩石中，有代表性的岩石的放射性矿物的含量，可以推算出硅铝层中，由于放射性物质的自然爆裂，而每年产生的热量。这个热量，有一部分在地球的表层以下蓄积起来，经过约2500万年至3000万年的时间，大陆下层的岩石，就会被积存起来的热量所熔解。在大陆下部熔解的状态下，由月球影响而产生的潮汐，对于大陆起了拖移的作用，大陆于是发生漂移，向着海洋方向移动，露出了大陆的基底，它就逐渐冷却了。这样，就会造成一次大规模的地壳运动。之后，新的构造运动旋回又从此开始。
第三个支派，认为地球内部不断发生对流，轻的物质向上运动，较重的物质向下运动。向上的物质有的发生平流，因而在某些地带把大陆拖开，使地壳分裂，海洋从而侵入，在分裂的那一面，大陆留下张裂的痕迹，例如北美和西欧海岸以致内陆，就遗留有因这种拖移而被拉断了的古生代山脉。在另一方面，大陆碰到了海底较硬和较重的硅镁层的抵挡，随即发生了大规模的挤压现象。由挤压而产生了大型的地槽，以及由地槽转变而来的雄巍山脉。
在当时各派的纷争影响下，李四光写了《地球表面形象变迁之主因》一文，在1926年5月召开的中国地质学会第四次年会上做了演讲。他在批评了一些传统学派的同时，对主张以水平运动为主的理论，给予很高的评价。认为这一理论，是“革命性理论”，“是不可忽视的宝贵财富”。但他也指出以水平运动为主的理论，对于全面解释地球表面形象的变迁，仍有不足之处：没有能够回答地壳运动的方向，无法说明使地壳运动的根本原因，或所需要的力。
针对实际存在的这些问题，李四光依据地球这个旋转体的力学分析和计算，运用当时掌握的若干地质事实，推论了地壳运动的方向和起源。
地球自转时，其扁度随着转速的增加而增加。在转速增加到一定程度的时候，球体表面的物质，整体的被水平力推向赤道。按照力学原理计算，这个力是从两极至南、北纬45度不断加大，然后从这个位置向赤道逐渐减小，在赤道和两极均为零。也就是说，在高纬度一般表现为张力，在低纬度则为挤压。所以在南北半球连续伸展的大陆上，产生走向大致与赤道平行的长条山脉，乃是一个必然的结果。在欧洲大陆上，有阿尔卑斯、比利牛斯、喀尔巴阡和高加索山脉，这些都是东西走向的高峻山脉。其南侧，伴随着较小的山脉，从非洲的西北角经过西西里、希腊群岛和小亚细亚半岛而延伸。这些平行山脉以及夹在中间的山脉，是在阿尔卑斯运动中，由欧非大陆从南北两方挤压而成的，并且大致位于纬度45度左右，说明这个地带是最大的变动地区。从高加索向东南追索，还有伊朗山脉、天山山脉、昆仑山脉，以及喜马拉雅山、南岭山脉等。
李四光以为，决定地壳运动方向的因素，不是地球自转，而是地球自转速度的变化，那么，产生地球自转速度变化的原因是什么？李四光从动力学的观点，提出是地球内部的重力作用。
这一理论的提出，使李四光成为中国地质学家以创造性的思想登上国际地质论坛，加入探讨有关重大地质理论问题行列的第一个人。但李四光在谈到地质力学发展过程的时候，曾经谦虚地说：在《地球表面形象变迁的主因》中提出的理论，不是没有一点实践的基础；但是，这样立论，大体和其他各派的学说一样，在方法论上存在着很大的缺点。主要是运用的资料不够广泛，不够细致、不够落实，而是片面地抓住一些事实，或者若干现象，参考一些第二手资料，就急急忙忙地提出大的理论来。实际上，这些理论是依据是不充分的。它们所依靠的证据，往往可以这样解释，也可以那样解释，不够严谨，经不起推敲，李四光认为，这是一个很深刻的教训，但同时也积累了一些有益的经验，特别是对地壳运动的方向性有了进一步的认识，为以后地质力学的发展打下了初步的基础。
当时，在场听学术演讲的，有一位美国地质学家叫维里士，他傲慢地站起来说：“李四光教授所说的一些概念，在我的心里并不存在。在这个地方，居然有人谈论这些问题，使我甚为惊讶。”李四光心里很清楚，维里士这个人信奉的是传统学派那一套，他的这种态度，不足为怪。维里士还质问李四光：“你是在哪一个国家留学的，你的老师是谁？”对于这个问题，李四光认为同自己演讲的内容毫无关系。因此只是轻轻一笑，没有给予答复。
为了进一步探索地壳运动问题，他把注意力转向东亚及其他地点发现的大地构造现象组合的研究。地质力学对构造现象本质的认识，了解各种构造现象的相互联系，是从认识一些个别的和特殊的现象开始的，也可以说是从认识“山字形构造”开始的。起初李四光见到乌拉尔那样长长的、走向南北的强烈褶皱山脉，西边有俄罗斯平原，东边有西伯利亚平原。在乌拉尔山脉和东西两大平原以南，还存在着相当复杂的一套弧形山脉。从高加索以西，向东到阿尔泰山系，都是这套弧形山脉所穿插的地带。当时只知道这些弧形山脉与乌拉尔山脉是同时产生的。但为什么发生这样组合形式的山脉？虽然它们之间距离很远，走向也不一致，它们之间是否有成生联系呢？这可以说是认识构造体系的萌芽。用李四光自己的话来说：“冒着很大的危险想打开一条思路，到实践中去，验证，这种构造型式或构造体系的概念，究竟行不行得通。”
1928年，李四光初次发现了宁镇山脉为大致走向东西的弧形构造。弧顶位于镇江一带，向北凸出。在弧形构造南面相当辽阔的平原中，出现一条茅山山脉。它伸展的方向是南北，并与宁镇弧形山脉一起构成了一弓一箭的形象，形成了一个体系。这个体系的特征，基本上与乌拉尔山脉及其以南的复杂弧形山系所构成的构造体系是很相似的，不过方位相反而已。但两者规模相差悬殊。宁镇山脉和茅山构成的这个山字型构造，与乌拉尔山脉那个横跨欧亚大陆的山字型构造，弧顶方向相反，一个向北，一个向南。宁镇山——茅山山字型构造是自成一个系统呢？还是另一个体系的组成部分？只有再经过更广泛的实践，才可能解决这个问题。同年，李四光在广西地区也发现了由复式褶皱组成的弧形山系，弧顶位于宾阳县，左翼以镇龙山——徭山大背斜为主体；西翼以大明山背斜为主体。以后又在柳州以北古老的变质岩层中发现了南北向强烈折皱带，确定为广西山字型构造的脊柱。此外，他还发现了淮阳山脉也是一个弧型构造。
在20年代末期，李四光在肯定了几个山字型构造的同时，还发现了其他一些不同类型的构造体系，如东西构造带、多字型构造等，并提出歹字构造、帚状构造和入字型构造等。这些构造类型的认识和指出，模拟实验起了一定的作用。就当时所认识的构造类型和它们分布的范围，李四光于1929年在英国地质杂志上分期发表了《东亚一些构造型式及其对大陆运动问题的意义》，概括了不同构造类型的特殊本质，明确了构造体系的概念，测定了和每一类型构造体系有关地区的构造运动方式和方向，推断了大陆和海洋运动的主因。这篇总结性的论著，为地质力学打下了初步基础。
30年代到40年代期间，是地质力学在上述基础上有所发展的时期，也是以构造体系概念为指导，继续向着尚未研究过或者尚未深入研究过的各种构造体系类型进行研究，找出它们各自独特的本质，修改、补充和丰富构造体系的概念的时期。在地质学的领域中，逐步扩大了地质力学活动的范围，在更多的地区，又发现了许多构造体系的定型性、定位性、定时性和在同一地区它们之间的复合关系。这些不同类型的构造体，显示对矿产分布的控制作用。如在东西带中，有时出现重型矿体；在新华夏系的沉降地带，具有沉积石油等矿产资源的条件；某些煤田分布的范围往往受一定构造型式的控制等等。
在这一阶段，除了描述构造体系的特点外，李四光还对各种类型构造的起源给予合理的解释。例如多字型构造显然反映力偶作用；山字型构造与平板梁在水平面上受到弯曲而发生的形变相似。其他类型的构造体系也具有相应力活动的方式。李四光还提出了岩层和岩块受到地应力作用时，有时表现弹性反应，有时表现程度不同的塑性反映，这为地震这一地壳运动特殊表现形式提供了理论基础。地震是岩石受地应力的作用而发生破裂产生的震动。如果岩石是塑性的，力量随形变而消失，不能积蓄起来，就不会引起地震。如果岩石是有一定弹性的，它能积蓄应力，当地应力积累到岩石强度极限时，岩石就发生破坏，并产生震动。
明确了上述地质力学工作方向以后，在1941年，地质力学这一名词才被正式提出来了。这一时期，李四光在地质力学方面的研究著作有1939年在英国出版的《中国地质学》、1947年在中华书局出版的《地质力学的基础和方法》。新中国成立后，李四光身兼多职，公务繁忙，但他仍尽量挤出时间研究地质力学，1962年写成了《地质力学概论》一书。这本书是他对地质力学研究的一次全面总结，提出了一套地质力学方法，发展和建立了构造体系，构造序次构造复合等重要概念，指出了地质力学中存在的问题和今后工作方向，进一步阐述了地壳运动起源的问题。
李四光运用力学原理，从运动的观点分析研究地壳构造与地壳运动的现象，探索地壳构造、地壳运动及矿分布的规律。他把各种地壳构造类型都看做是地应力活动的结果，从而创建了“构造体系”这一地质力学的基本概念，使地质科学进入了一个崭新的阶段。
李四光在探索科学真理的道路上，一贯脚踏实地，百折不挠。早在1932年，为了解开当时中外地质学界的疑团，即地理上重要的天然界线南岭，在地质构造上究竟是否存在。他亲自考察，足迹遍布闽西、赣南、湘南、粤，几次横越南岭，历尽千辛万苦，终于获得了可贵的资料，证明了南岭构造地带确实存在，这在地质上有重要意义。
鉴于李四光的国际声望，抗战期间，蒋介石几次想拉拢他，都没有得逞。一次，蒋介石在广西为他大摆宴席。可是李四光闻讯后，清晨就跳上一辆运送矿砂的卡车，到野外考查去了。这样一位坚强不屈、勇敢无畏的科学家，在黑暗的旧中国是没有立足之地的。解放战争期间，国民党反动派疯狂屠杀共产党人和爱国知识分子，许多老朋友都为李四光担心。他却毫不畏惧，从容地在浙江大学的试验室里做模拟实验，从变色泥巴中寻找构造形式的规律。
在那白色恐怖的严酷日子里，周恩来总理曾于1945年两次在重庆秘密会见李四光，劝告他到国外去进行一段考察和研究工作，以免遭受迫害。1947年底，当他接到国际地质学会邀请他出席十八届会议的通知后，便到英国去了。
在第十八届国际地质会议上，李四光发表了《新华夏海的诞生》一文。他运用地质力学，根据几十年来对我国及世界各地考察的无数事实，对中国大陆和海域及东亚濒临太平洋地区的有关的一系列主要构造体系做了完整的划分。他说：从太平洋中隆起的九州群岛，日本群岛、琉球群岛以及台湾岛到菲律宾直至加里曼丹岛，它们构成了新华夏体系的第一隆起带。在它们以西，鄂霍次克海、日本海、黄海、东海、南海，它们是新华夏体系的第一沉降带。再往西，朱格尔山脉、锡霍特山脉、斜贯朝鲜半岛的紧密褶皱带及东南丘陵、武夷山脉，便是第二隆起带。再往西，就出现了第二沉降带，包括黑龙江下游流域、松辽平原、华北平原、江汉平原，穿过南岭，直到北部湾。它们之西，便是大兴安岭、太行山脉，贵州高原东部的褶皱山脉，即第三隆起带。再往西，有呼伦贝尔——巴音和硕盆地、陕北——鄂尔多斯盆地、四川盆地，构成了第三沉降带。
这三对隆起带和沉降带，构成了新华夏构造体系，又受到中国境内的阴山、秦岭、南岭等几条东西向的纬向构造带的影响，便形成了一个巨大的“多”字型构造体系。
李四光具有充分科学依据的演讲，使欧美派传统地质学和苏联正统派地质学，受到强烈的冲击和震动，显示了地质力学这门新学科的无限生命力。
1949年9月21至30日，中国人民政治协商会议胜利召开，周恩来总理亲自提名，李四光被选为政协常务委员，10月1日，开国大典，毛泽东主席站在天安门城楼上向全世界庄严宣告：中国人民从此站起来了！
李四光在国外，收听到新中国诞生的喜讯，再也按捺不住兴奋和喜悦的心情，毅然决定立即回国，并订好了回国的船票。正在这时，他接到一位朋友的电话，告诉他，国民党外交部给驻英大使郑天锡来了一份电报，郑命令李四光立即向全世界发表公开声明，不承认中华人民共和国，拒绝接受人民政协委员职务。如果李四光不肯发表公开声明，就采取必要措施，将他扣留，不准回国。对国民党的卑鄙阴谋和威胁恫吓，李四光付之以轻蔑一笑。为了摆脱他们的无理纠缠，他决定当晚起程回国。走前他给郑天锡留下了一封信，庄严声明：中华人民共和国是我多少年来日思夜盼的理想国家，中央人民政府院是我竭诚拥护的政府，我能当选为中国人民政治协商会议全国委员会的委员，是莫大的光荣。我已经起程返回就职。并劝告郑天锡不要再为蒋介石卖命了。
在归国的海船上，他心潮起伏，思绪万千，憧憬着新中国，憧憬着即将投身的伟大祖国的社会主义建设，激情满怀地写下了他本人划时代的学术论文《受了歪曲的亚洲大陆》。文中指出：各种地应力——压力、张力、扭力等造成亚洲大陆的各形变。同时指责欧美地质人员用狭隘眼光来解释亚洲的造山运动，而使亚洲蒙受了许多歪曲。它描述了中国大陆上的山字形弧型、新华夏系等体系，并纵论了地质时代中世界地质界发展形势指出欧美大陆，自古生代以来，就往南移动。“假如地球自转的速度增加了，到了一定程度，欧亚就要向赤道方向推进，全世界的大陆也将同时发生向西滑动的趋向……”他依据一系列确凿的论据和科学推理，在文章最后写道：“我们的结论是：随着地球旋转加快，亚洲站住了，东北非、西欧破裂了，美洲落伍了。”
李四光于1950年5月6日到了北京，当时已60岁了。第二天，周恩来亲自到北京饭店看望他。总理给他带来了党的关怀和信任。总理赋予他光荣而艰巨的使命：“你要给我们找矿”，“你会给我们找到油和铀的。”
1953年，祖国大规模的经济建设开始了，国家急需石油，要求地质工作走在前面。但是由于帝国主义御用学者散布“中国贫油论”和旧石油地质理论的影响，我们的石油普查工作成果不显著。国际权威们声称，世界已知油田大都在“海相”地层，中国大部是“陆相”地层，因此不可能储藏有工业开采价值石油。李四光认为，找油关键不在“陆相”或“海相”，而在于有没有生油和储油的条件，在于对地质构造规律的认识。依据他自己独创的地质力学和多年调查研究，全面系统地阐述了我国寻找天然石油的广阔远景：整个新华夏体系就是“多字型构造体系”，它有三个隆起带和三个沉降带。在其山脉和群岛上，蕴藏着多种矿藏，在其沿海、平原、盆地，就蕴藏着极其丰富的天然石油和天然气。“多”字型构造的对扭性质，使它们有条件成为雁行排列的良好储油构造。新华夏体系的沉降带既生油又储油，说明我国石油储量是相当丰富的。他提出了在松辽、华北平原开展石油普查的意见，得到毛泽东主席和周恩来总理的赞许和支持。
1954年，党中央决定将石油普查战略东移。不久，松辽平原、华北平原石油普查开始了，李四光亲自指导这项工作。经过广大地质侦察兵的艰苦奋战，终于发现了大庆油田。大庆、大港、胜利油田的相继建成，给中国摆脱了“贫油”的帽子，李四光和他的地质力学理论作出了不可磨灭的贡献。
李四光急国家所急，想人民所想。国家需要什么，他就研究什么，他总是把科学研究和社会主义建设事业的当前和长远需要结合起来。60年代，我国连续发生强烈地震，社会主义建设和人民生命财产安全受到严重威胁，迫切需要解决地震预报问题。这时年迈多病的李四光，又积极地投入了地震预报的研究工作。当时，某些“专家”认为，地震不能预报，外国没有解决，我们也解决不了。李四光力排众议，提出了用观测地应力的方法去探索地震预报的途径。实践证明，这条途径是正确的。1966年邢台地震发生后，李四光根据地质构造和地应力变化的特点，预见地震有向东北发展的趋势，果然在1967年3月河间地震发生了。不久他又提出要迅速开展东北地区的防震工作，后来实践也证实了他的科学预见。
为了京津地区的安全，80多岁高龄的李四光还多次跋山涉水，深入房山，延庆、密云、三河等山区调查研究地震地质现象。虽然他的动脉瘤在一天天扩大，随时都有破裂的危险。但他从不考虑个人安危。邢台地震发生后，他坚持要到灾区去调查，对劝阻他的大夫说：“你们不要再拉我，总理还冒着生命危险去灾区，我是做这个工作的，怎能贪生怕死不去呢？”
他对海洋地质和地下热能的开发利用也十分关心。82岁高龄，还亲自到天津去研究地下热水的利用问题。
这位充满了强烈革命责任感，勇于攻克科学堡垒、攀登世界科学高峰的老科学家，一直战斗到生命最后一息。1971年4月29日，因动脉瘤致命破裂不幸逝世，终年82岁。
李四光的一生，经历了在中国这块古老国土上发生的几次伟大的社会变革。辛亥革命的经历，使他得出要以实地的科学活动来改变中国面貌的结论，但是随着时间的推移，他的这种“科学救国”的理想变成了幻想；在痛苦的折磨中，他才逐渐认识到新民主主义革命和社会主义革命的必要性。这是超越他已知的自然科学真理之外的另一个真理，他找到这个真理是颇费艰辛的，也是极可贵的。所以一当他受到祖国人民的召唤，便毫不犹豫地投身到宏大的建设事业中来，以他在花甲后的年华和半生的科学积累融合到亿万人的劳动中，为祖国的资源开发增添光彩，并亲身享受到多年理想成为现实的喜悦。正如他在1958年入党时所说：“我一生经历了曲折的道路，共产党就是我最后的归宿！”周恩来总理称赞他是：“有卓越贡献的科学家。”又说：“李四光同志是一面旗帜，对社会主义建设作出了很大贡献，我们要学习他。”
李四光在地质科学领域取得辉煌成就，还有一个原因，就是他具备从事科学研究的既广又深的知识。青年时期，他深入钻研过数学、物理学，为后来的科学研究工作打下了坚实的基础。对于地质学的基础学科，如地层学、构造地质学、古生物学、岩石学、矿物学等，都有精湛的研究和很深的造诣。他精通英语、日语、法语，德语也很不错，晚年还自学俄语，平时注意广泛收集科学的新成果，并在广博中求精深。
