李曙光在变质同位素年代学理论研究方面最早发现超高压榴辉岩的白云母含大量过剩氩；证明了超高压变质与退变质矿物之间存在同位素不平衡；较早发现在低级变质条件下稀土元素可活动，且Sm-Nd体系可被重置；首次精确测定了榴辉岩中金红石的U－Pb年龄。最早通过测定大别山榴辉岩年龄获得华北与华南陆块在三叠纪碰撞的结论；系统测定了北、南秦岭一系列蛇绿岩及岩浆岩的同位素年龄，为秦岭造山带多陆块拼合模型的建立提供了重要的依据。首次测定出大别山超高压岩石的二次快速冷却曲线，并通过同位素示踪对其多阶段快速折返机制提出较完整模型。
李曙光教授在以下领域做出了系统研究，并取得一系列创新性成果。
1.他在超高压变质作用中同位素体系及变质年代学理论做出许多开拓性工作：较早发现并证明造山带榴辉岩中的白云母含大量过剩氩；证明了超高压变质矿物与退变质矿物之间存在Nd，Sr同位素不平衡；计算了绿片岩相及叠加兰片岩相变质作用各自的Sr同位素均一化尺度；在世界上首次精确地测定了榴辉岩中金红石的U－Pb年龄。这些工作为正确进行超高压变质定年作出了决定性贡献。
2.他对华北和华南陆块的碰撞过程及秦岭－大别造山带演化进行了长期系统研究并取得重要成果：最早测定出大别山含柯石英榴辉岩的Sm-Nd年龄为三叠纪，并证明它们是陆壳俯冲成因，从而获得华北与华南陆块在三叠纪最终碰撞的结论；系统测定了北，南秦岭一系列蛇绿岩及岛弧岩浆岩的同位素年龄及地球化学特征，为秦岭造山带两条地缝合线的厘定及多陆块拼合模型的建立提供了重要依据；此外，还首次在大别山北侧发现古生代岩浆弧和洋壳俯冲成因榴辉岩，系统测定了大别山其它榴辉岩岩，岩浆岩年龄，研究了碰撞后壳幔相互作用及岩石圈拆离过程。
3.超高压变质岩的折返机制是大陆深俯冲研究的著名科学问题。他首次测定出大别山超高压岩石具有二次快速冷却的曲线，对多阶段快速抬升历史给出重要制约。结合测定南秦岭同碰撞花岗岩的年龄，查明俯冲陆壳不同构造单元的U-Pb同位素特征，他提出了一较完整的超高压变质岩多阶段折返模型。
4.寻找富铁矿曾是我国七十年代提出的一项战略任务。他应用趋势面分析成功预测出鞍本弓长岭矿床深部富矿体，并钻探验证成功；应用C同位素证明弓长岭富磁铁矿石中的石墨为菱铁矿变质分解成因，据此提出该富铁矿床成因的新模型，为查明黑富矿成因及扩大富矿储量做出了重要贡献，并获得中国科学院科技二等奖。
