Вюрц – один из основателей синтетического направления в органической химии. В 1849 синтезировал первые органические производные аммиака – метиламин и этиламин, а шестью годами позже открыл новый метод синтеза углеводородов действием металлического натрия на галогенопроизводные. В 1856 Вюрц синтезировал этиленгликоль, первый из двухатомных спиртов (гликолей), а затем его гомологи – пропиленгликоль и бутиленгликоль. Эти работы имели большое значение для промышленного производства антифризов, растворителей и т.д. В 1859 получил этиленхлоргидрин, затем, обработав его едким калием, – оксид этилена, исходный продукт синтеза аминоспиртов, холина, нейрина. В 1867 изобрел новый способ получения фенола, в 1872 открыл (одновременно с А.П.Бородиным) альдольную конденсацию.

Работы Вюрца лежат в основе многих отраслей химической промышленности: получения каучука, синтеза фенолов, аминов, красителей, лекарственных веществ и т.д. В своих теоретических воззрениях Вюрц придерживался атомистических взглядов и способствовал их распространению во Франции, будучи главным оппонентом Бертло, лидера эмпирического направления в химии. В 1960-е годы между Вюрцем и Кекуле возникла полемика относительно валентности («атомности», по тогдашней терминологии) элементов. Вюрц, как и Бутлеров, считал, что элементы имеют переменную валентность, тогда как Кекуле утверждал, что валентность – это фундаментальное свойство атомов и потому она постоянна, как и атомная масса.