他在《中國》第1卷裏，以專門的章節論述了中國的黃土，最早提出了中國黃土的“風成論”。他也採集了大量各門類化石，收集了很多各時代地層資料。德國古生物學家弗萊希、施瓦格、凱塞爾等對李希霍芬所採化石的研究論文也發表在《中國》各卷中。李希霍芬在遼寧、山東、山西和河北北部建立了3條系統剖面。他首先提出了“五臺系”和“震旦系”等地層術語。
他對中國造山運動所引起的構造變形有開創性的研究。他在山東、北京西山、大青山、五臺山等地發現了許多褶曲和正斷層，在泰嶺發現了逆掩構造，在《中國》第2卷中的“中國北方構造圖”上，他畫了一條被稱爲“興安線”的推斷構造線，從興安嶺經太行山，一直達到宜昌附近。他還提出了中國北方有一個古老的“震旦塊”，是一個具時間關係的地質構造單元。
他在《中國》第2、3卷中，將中國各地火成岩作爲地層剖面中的一部分加以描述，如遼東古老的高麗花崗岩，秦嶺天台山志留紀花崗岩，南京山地花崗岩、安山岩和玄武岩等。李希霍芬在江西景德鎮東北部的高嶺山一帶探勘陶瓷原料，並以“高嶺”的拉丁文譯名Kaolin命名高嶺土，從此高嶺之名傳播國外，高嶺土是世界第一種以中國原產地爲通用名稱的礦物。
近代早期來華考察的地學家中，經歷時間之長、蒐集資料之豐富、發表著作分量之大，李希霍芬是極爲突出的。他爲中國地質、地理之研究，作了奠基性、開創性的貢獻，尤其爲當時的中國帶來了近代西方地學、甚至整個自然科學的思想和方法，他是近代中國和西方國家科學交流的重要先驅，對近代中國地質學、地理學的產生和發展具有重大影響。
從1868年到1872年，李希霍芬以上海爲基地，對大清帝國18個行省中的13個進行了地理、地質考察，足跡遍及廣東、江西、湖南、浙江、直隸、山西、山東、陝西、甘肅南部、四川、內蒙諸省區，“踏查之普遍，著述之精深博大”，遠非清人所及。他將所見所聞以信件形式寄給上海歐美商會，後來彙集成冊，名爲《李希霍芬男爵書信集》。其中多爲中國的煤礦分佈和各地的物產、商業情況，也包括該地區交通情況以及在此基礎上形成的商鎮和商業路線。李希霍芬並非泛泛而記，而是對煤礦地質、分佈、煤層厚度變化、出煤質量(煙煤與無煙煤)、礦區產量、煤炭價格、運輸路線以及當地官府對煤礦的不當管理都進行了詳細調查，並依此對煤礦的開發價值進行評價，作爲歐美商會的決策參考。
對於有可能改變世界能源構成的礦區，李希霍芬的調查更爲詳盡。按照魯迅《中國地質略論》的說法，他“三涉山西(太原，大同)，再至直隸(宣化，北京，三河，豐潤)，徘徊於開平炭山，入盛京(奉天，錦州)，始由鳳皇城而出營口。”李希霍芬這樣熱衷於這塊表裏河山，是因爲“山西是世界上最出色的煤鐵產區之一……在目前煤的消費水平上，山西一省的煤礦可供世界幾千年的消費。”
儘管李希霍芬的“遊歷”是合法的，但他進行的國土調查從未依法向中國官方報備，其調查結論也沒有完全呈交上海的歐美商會。相反，作爲普魯士人，李希霍芬把德意志帝國的統一和強大視爲最高理想。即便在最艱苦的中國鄉村，即便必須將行裝節減到最低限度，他也一直堅持着“如果還有一張桌子的話，就鋪一面德意志國旗在上面”的做法。爲此，李希霍芬曾祕密緻函普魯士首相俾斯麥，提出德國“有必要發展海軍以保護這些重要的利益和支持已訂的條約;要求在萬一發生戰事時德國的商船和軍艦有一個避難所和提供後者一個加煤站。”
儘管他選擇的是浙江舟山羣島和山東膠州灣，但在1871年給歐美商會的報告中，卻反覆強調寧波和杭州作爲地區商業中心的地位，對舟山羣島和膠州灣隻字不提。
事實上，早在1869年，李希霍芬就向德國提議，奪取膠州灣及其周邊鐵路修築權，將使華北的棉花、鐵和煤等更爲方便地爲德國所用。不但可就此將山東納入勢力範圍，而且又擁有了廣大的中國腹地。爲了利用山東控制內地煤礦，他向歐美商會鼓吹修建連接內地與海港的鐵路，“如果連接河南、山西和港口的鐵路建起的話，它們的大多數珍貴物產——主要是礦產——將得以出口”。
德國和其它西方國家對李希霍芬的評價甚高。德國學者施丟科爾稱，“李希霍芬——他對於自然社會的重大貢獻是絕對無可爭論的——是一個自覺的、有目的的代表外國資本、並且特別是代表德國在華資本利益的人，他將他的調查按照這個明確的目的去進行，使得外國資本容易侵入中國”。
1897年，德國藉口傳教士被殺，出兵佔領膠州灣，把山東劃爲其勢力範圍。在報請德皇威廉一世批准的軍事計劃中，德國海軍司令梯爾皮茨多次引用了李希霍芬的考察結論。
關於李希霍芬調查對中國國家利益的影響，魯迅曾撰文概述說，“支那大陸均蓄石炭，而山西尤盛;然礦業盛衰，首關輸運，惟扼膠州，則足制山西之礦業，故分割支那，以先得膠州爲第一着”。他認爲，李希霍芬的國土資源調查“實涵有無量剛勁善戰之軍隊”，因此“自利氏遊歷以來，膠州早非我有矣”。此後，外國人紛紛打着“遊歷”和“科研”旗號來華勘測，實際上就是“利忒何芬之化身”。清廷在此問題上的管控失序，最終造成了“大陸淪陷”於外人，“吾同胞其奈何?”
魯迅的感嘆，在很大程度上驚醒了清朝以降的中國人。儘管把李希霍芬稱爲“最先明瞭中國地文之偉大科學家”令人難堪，但民國地理學和地質學確實是在他的調查基礎上建立起來的。民國地質學家翁文灝在肯定李希霍芬“對於中國主要地質構造及地文之觀念，其偉大之貢獻，實無其他地質學家，足與倫比”的同時，敦促民國政府成立了地質研究所，開始了全國範圍的地質調查。
