徐旭生由于对考察团的卓越组织领导，获得以瑞典国王名义颁发的勋章。我国政府为这次考察出纪念邮票一套——这是我国第一次为学术界出版发行纪念邮票。
徐旭生的后半生辛勤耕耘于史学领域。1933年前往西安，组织了西北地区第一个考古机构陕西考古会。主持宝鸡斗鸡台遗址的发掘工作达数年之久。写有《陕西渭河附近考古调查报告》、《陕西最近发现之新石器时代遗址》等学术论文。
从1932年起，他开始探索中华民族的形成问题，专心研究中国古史传说，并著有《中国古史的传说时代》一书。他认为，中国古代部族的分野，大致可分为华夏、东夷、南蛮三个集团。这三大集团相互斗争，后又和平共处，终于完全同化，渐次形成后来的汉族。其中经历三大变化：一是华夏族与东夷族渐次同化;氏族林立的中国渐次合并，形成若干大部落。二是黄帝死后，高阳氏出现，这已是民族社会末期，生产力有所发展，贫富分化，劳心与劳力分工;而帝颛顼的“绝地天通”的宗教改革，对后来有很大影响。三是大禹治水后，氏族制度逐渐解体，变成了有定型有组织的王国。
我国历史上第一个朝代——夏朝早在公元前22世纪末就建立了。但长期以来，夏代却是考古方面的一大空白点。徐旭生根据文献记载，经过认真细致的研究，在《略谈研究夏文化问题》一文中明确指出，有两个地区应该特别注意：一是豫西地区的洛阳平原以及嵩山周围，尤其是颍水谷的上游登封、禹县一带;二是山西省西南部分汾水下游一带。1959年夏，72岁高龄的徐旭生亲自奔赴豫西地区，对“夏墟”进行实地调查，踏察了告成、石羊关、阎砦、谷水河、二里头等重要遗址，写成《1959年夏豫西调查‘夏墟’的初步报告》。
1964年春季，他又亲临偃师二里头工地，具体指导遗址的发掘工作，探察期间，他谢绝地方政府的照顾，每去一地，随身带着一小卷铺盖，和年轻人一起坐硬座，住工棚，吃普通伙食，误了吃饭时间，就买点红薯馍馍充饥，常常一天步行40多里。有一次遇上大雨，人们劝他坐大车，他不同意，坚持脱鞋光脚在泥泞路上步行。不管白天多么劳累，他晚上都要坚持在煤油灯下，详细地记录调查收获和心得，他这种不畏艰辛，一心为科学事业的雄心，愈老愈坚。尔后，二里头、告成、下冯、陶寺等遗址先后发掘。目前，属于二里头文化的遗址已发现一百多处，正式发掘的一二十处，取得了巨大考古成果。徐旭生不愧为夏文化探索的开拓者。
徐先生的精神感人至深。与他一起工作多年的黄石林在《徐旭生先生传略》中写道：“徐老的一生勤奋好学、博览群书，是一位渊博的学者。他的为人正派、耿直、真诚、朴素，处处都是我们的表率。他那慈祥和蔼的学者风度，为学术研究而辛勤努力，工作上认真负责，治学上严谨求实，堪称一代师表，是我们永远学习的榜样。”