徐光宪对化学的主要贡献包括以下几个方面：
1. 长期从事物理化学和无机化学的教学和研究，涉及量子化学、化学键理论、配位化学、萃取化学、核燃料化学和稀土科学等领域。
2. 提出了普适性更广的（nxcπ）格式和原子共价的新概念及其量子化学定义，根据分子结构式便可推测金属有机化合物和原子簇化合物的稳定性。
3. 建立了适用于研究稀土元素的量子化学计算方法和无机共轭分子的化学键理论。
4. 合成了具有特殊结构和性能的一系列四核稀土双氧络合物。
5. 在串级萃取理论、协同萃取规律、萃取机理研究方法及萃取分离稀土工艺等方面，都有大量的研究成果。
徐光宪基于对稀土化学键、配位化学和物质结构等基本规律的深刻认识，发现了稀土溶剂萃取体系具有“恒定混合萃取比”基本规律，在20世纪70年代建立了具有普适性的串级萃取理论。