他在《中国》第1卷里，以专门的章节论述了中国的黄土，最早提出了中国黄土的“风成论”。他也采集了大量各门类化石，收集了很多各时代地层资料。德国古生物学家弗莱希、施瓦格、凯塞尔等对李希霍芬所采化石的研究论文也发表在《中国》各卷中。李希霍芬在辽宁、山东、山西和河北北部建立了3条系统剖面。他首先提出了“五台系”和“震旦系”等地层术语。
他对中国造山运动所引起的构造变形有开创性的研究。他在山东、北京西山、大青山、五台山等地发现了许多褶曲和正断层，在泰岭发现了逆掩构造，在《中国》第2卷中的“中国北方构造图”上，他画了一条被称为“兴安线”的推断构造线，从兴安岭经太行山，一直达到宜昌附近。他还提出了中国北方有一个古老的“震旦块”，是一个具时间关系的地质构造单元。
他在《中国》第2、3卷中，将中国各地火成岩作为地层剖面中的一部分加以描述，如辽东古老的高丽花岗岩，秦岭天台山志留纪花岗岩，南京山地花岗岩、安山岩和玄武岩等。李希霍芬在江西景德镇东北部的高岭山一带探勘陶瓷原料，并以“高岭”的拉丁文译名Kaolin命名高岭土，从此高岭之名传播国外，高岭土是世界第一种以中国原产地为通用名称的矿物。
近代早期来华考察的地学家中，经历时间之长、搜集资料之丰富、发表著作分量之大，李希霍芬是极为突出的。他为中国地质、地理之研究，作了奠基性、开创性的贡献，尤其为当时的中国带来了近代西方地学、甚至整个自然科学的思想和方法，他是近代中国和西方国家科学交流的重要先驱，对近代中国地质学、地理学的产生和发展具有重大影响。
从1868年到1872年，李希霍芬以上海为基地，对大清帝国18个行省中的13个进行了地理、地质考察，足迹遍及广东、江西、湖南、浙江、直隶、山西、山东、陕西、甘肃南部、四川、内蒙诸省区，“踏查之普遍，著述之精深博大”，远非清人所及。他将所见所闻以信件形式寄给上海欧美商会，后来汇集成册，名为《李希霍芬男爵书信集》。其中多为中国的煤矿分布和各地的物产、商业情况，也包括该地区交通情况以及在此基础上形成的商镇和商业路线。李希霍芬并非泛泛而记，而是对煤矿地质、分布、煤层厚度变化、出煤质量(烟煤与无烟煤)、矿区产量、煤炭价格、运输路线以及当地官府对煤矿的不当管理都进行了详细调查，并依此对煤矿的开发价值进行评价，作为欧美商会的决策参考。
对于有可能改变世界能源构成的矿区，李希霍芬的调查更为详尽。按照鲁迅《中国地质略论》的说法，他“三涉山西(太原，大同)，再至直隶(宣化，北京，三河，丰润)，徘徊于开平炭山，入盛京(奉天，锦州)，始由凤皇城而出营口。”李希霍芬这样热衷于这块表里河山，是因为“山西是世界上最出色的煤铁产区之一……在目前煤的消费水平上，山西一省的煤矿可供世界几千年的消费。”
尽管李希霍芬的“游历”是合法的，但他进行的国土调查从未依法向中国官方报备，其调查结论也没有完全呈交上海的欧美商会。相反，作为普鲁士人，李希霍芬把德意志帝国的统一和强大视为最高理想。即便在最艰苦的中国乡村，即便必须将行装节减到最低限度，他也一直坚持着“如果还有一张桌子的话，就铺一面德意志国旗在上面”的做法。为此，李希霍芬曾秘密致函普鲁士首相俾斯麦，提出德国“有必要发展海军以保护这些重要的利益和支持已订的条约;要求在万一发生战事时德国的商船和军舰有一个避难所和提供后者一个加煤站。”
尽管他选择的是浙江舟山群岛和山东胶州湾，但在1871年给欧美商会的报告中，却反复强调宁波和杭州作为地区商业中心的地位，对舟山群岛和胶州湾只字不提。
事实上，早在1869年，李希霍芬就向德国提议，夺取胶州湾及其周边铁路修筑权，将使华北的棉花、铁和煤等更为方便地为德国所用。不但可就此将山东纳入势力范围，而且又拥有了广大的中国腹地。为了利用山东控制内地煤矿，他向欧美商会鼓吹修建连接内地与海港的铁路，“如果连接河南、山西和港口的铁路建起的话，它们的大多数珍贵物产——主要是矿产——将得以出口”。
德国和其它西方国家对李希霍芬的评价甚高。德国学者施丢科尔称，“李希霍芬——他对于自然社会的重大贡献是绝对无可争论的——是一个自觉的、有目的的代表外国资本、并且特别是代表德国在华资本利益的人，他将他的调查按照这个明确的目的去进行，使得外国资本容易侵入中国”。
1897年，德国借口传教士被杀，出兵占领胶州湾，把山东划为其势力范围。在报请德皇威廉一世批准的军事计划中，德国海军司令梯尔皮茨多次引用了李希霍芬的考察结论。
关于李希霍芬调查对中国国家利益的影响，鲁迅曾撰文概述说，“支那大陆均蓄石炭，而山西尤盛;然矿业盛衰，首关输运，惟扼胶州，则足制山西之矿业，故分割支那，以先得胶州为第一着”。他认为，李希霍芬的国土资源调查“实涵有无量刚劲善战之军队”，因此“自利氏游历以来，胶州早非我有矣”。此后，外国人纷纷打着“游历”和“科研”旗号来华勘测，实际上就是“利忒何芬之化身”。清廷在此问题上的管控失序，最终造成了“大陆沦陷”于外人，“吾同胞其奈何?”
鲁迅的感叹，在很大程度上惊醒了清朝以降的中国人。尽管把李希霍芬称为“最先明了中国地文之伟大科学家”令人难堪，但民国地理学和地质学确实是在他的调查基础上建立起来的。民国地质学家翁文灏在肯定李希霍芬“对于中国主要地质构造及地文之观念，其伟大之贡献，实无其他地质学家，足与伦比”的同时，敦促民国政府成立了地质研究所，开始了全国范围的地质调查。