李四光最早进行研究的是含煤地层中古代生物演变历史。由于他当时经常带领学生到河北省南部的六河沟煤矿实习，他深知要想搞清矿产生成规律，一定要弄清地层划分的状况。
由于主要造煤时代是石炭纪，因此，对石炭二迭纪地层中所含的微体古生物科化石标本的研究，就成为这项研究的基本工作。特别是对栖居浅海海底的单细胞动物的研究更为重要。
浅海的单细胞动物，形如纺锤，在国外被称为“纺锤虫”，栖居海底。最初出现于石炭纪早期，广泛分布于世界各地，种属繁衍甚多，到二迭纪末期灭绝。
我国石炭二迭纪地层分布很广，是世界上主要产地之一。因此，对比研究各种古生物科化石的形态、特征，确定它们种属演化的关系，是详细划分石炭二迭纪含煤地层不可缺少的一个重要依据。
但是，这种微体古生物的鉴定工作艰巨而细致，先要把标本切成薄片，再磨到十分之几毫米厚，然后用显微镜观察。
李四光通过对大量生物科化石的鉴定，创立了古生物科鉴定的十条标准。他自己用这个标准定出了20多个新属，并于1927年出版了专著《中国北部之古生物科》。
由于这项研究所取得的成果，李四光荣获母校伯明翰大学的博士学位。
李四光在研究古生物科的同时，还开始了另外一项非常有意义的工作，那就是对第四纪冰川的研究。
地球发展史上曾经有过几次大冰期，那时候，地球上的许多地方被冰雪覆盖着，当天气变暖时，冰雪便融化，这样就形成了冰川。最近的一次冰川是发生在二三百万年前的第四纪，所以称之为第四纪冰川。
1921年夏春之交，李四光带领学生到河北省邢台沙河县进行野外实习，发现了一些奇怪的石头，它们不像是水冲下来的，石头上又有明显的擦痕，很像冰川条痕石，因此，李四光推测，中国可能存在第四纪冰川。
同年6月和7月，李四光头顶烈日又到山西大同盆地进行煤田地质调查，又一次发现冰川作用的遗迹。
于是，李四光以这两次观察到的现象为内容，发表了《华北晚近冰川作用的遗迹》的报道，打破了中国近代冰川研究方面的沉寂局面，对外国人认为中国不存在第四纪冰川的观点提出了挑战。
某些外国地学家对此采取了轻蔑和冷漠的态度，大自然的复杂的多样性也确实为寻找更多的证据设置了许多难以克服的困难。然而，李四光没有被困难吓倒。
人们认为中国没有第四纪冰川现象的一个重要原因，是因为这个地区从第三纪直到今天，一直被认为是属于干旱性气候，因此没有冰雪覆盖的可能，也谈不上冰川。
可是，李四光自从找到了冰川条痕石以后，他开始考虑，在漫长的干旱气候中，是否会有间歇性变化呢？为了验证这一点，也为了让更多人能接受这一事实，他决定寻找更多的冰川遗迹。
十年以后，他四赴庐山实地考察，冰川的擦痕又一次次地展现在眼前。1936年8月，第四次赴庐山时，他索性把家搬到庐山。
庐山的不同寻常的地貌，特别是牯岭西谷一块巨石矗立在另一巨石上的奇特景象，给了他非常大的启示。
其后，他又作了大量详细周密的调查，不光得出庐山有大量冰川遗迹的结论，而且认为中国第四纪冰川是山谷冰川，并且可以划分为三次冰期。
李四光还亲自到黄山，去进行实地考察。在黄山，他同样获得了冰川作用遗迹的宝贵资料。
1936年9月，李四光发表了《安徽黄山之第四纪冰川现象》的论文，这篇文章和几幅冰川现象的照片，引起了中外学者的注意。
德国地质学教授费斯曼到黄山看罢回来赞道：“这是一个天翻地覆的发现。”李四光数十年的含辛茹苦，第一次得到了世人的承认。
李四光对于中国第四纪冰川的潜心研究，在1937年完稿的《冰期之庐山》中得到全面阐述。
尽管直到今天，关于中国是否存在第四纪冰川，仍然有着激烈的争论，但是，李四光作为一个科学家，开创了中国第四纪冰川的新的学术研究方向。人们不能不叹服炎黄子孙超人的胆识和坚韧不拔的力量。