徐霞客的游歷，并不是單純為了尋奇訪勝，更重要的是為了探索大自然的奧秘，尋找大自然的規律。他在山脈、水道、地質和地貌等方面的調查和研究都取得了超越前人的成就。

徐霞客對許多河流的水道源進行了探索，象廣西的左右江，湘江支流蕭、彬二水，云南南北二盤江以及長江等等，其中以長江最為深入。長江的發源地在哪兒，很長時間都是個謎。戰國時期的一部地理書《禹貢》，書中有“岷江導江”的說法，后來的書都沿用這一說。徐霞客對此產生了懷疑。

他帶著這個疑問“北歷三秦，南極五嶺，西出石門金沙”，查出金沙江發源于昆侖山南麓，比岷江長一千多里，于是斷定金沙江才是長江源頭。在他以后很長時間內也沒有人找到，直到1978年，國家派出考察隊才確認長江的正源是唐古拉山的主峰格拉丹冬的沱沱河。

徐霞客還是世界上對石灰巖地貌進行科學考察的先驅。徐霞客在湖南、廣西、貴州和云南作了詳細的考察，對各地不同的石灰巖地貌作了詳細的描述、記載和研究。他還考察了一百多個石灰巖洞。他沒有任何儀器，全憑目測步量，但他的考察大都十分科學。如對桂林七星巖十五個洞口的記載，同今天地理研究人員的實地勘測，結果大體相符。

徐霞客去世后的一百多年，歐洲人才開始考察石灰巖地貌，徐霞客稱得上是世界最早的石灰巖地貌學者。他指出，巖洞是由于流水的侵蝕造成的，石鐘乳則是由于石灰巖溶于水，從石灰巖中滴下的水蒸發后，石灰巖凝聚而成鐘乳石，呈現出各種奇妙的形狀。這些見解，大部分符合現代科學的原理。

徐霞客通過親身的考察，以無可辯駁的史實材料，論證了金沙江是長江的正確的源頭，否定了被人們奉為經典的《禹貢》中關于“岷山導江”的說法。同時，他還辨明了左江、右江、大盈江、瀾滄江等許多水道的源流，糾正了《大明一統志》中有關這些水道記載的混亂和錯誤。

他認真地觀察河水流經地帶的地形情況，看到了水流對所經地帶的侵蝕作用，并認識到在河岸凹處的侵蝕作用特別厲害。他還注意到植物與環境的關系，觀察在不同的地形、氣溫、風速條件下，植物生態和種屬的不同情況，認識到地面高度和地球緯度對氣候和生態的影響。對溫泉、地下水等，徐霞客也都有一定的科學認識。在徐霞客對地理學的一系列貢獻中，最突出的是他對石灰巖地貌的考察。

他是中國，也是世界上最早對石灰巖地貌進行系統考察的地理學家。歐洲最早對石灰巖地貌進行廣泛考察和描述的是愛士培爾，時間是1774年；最早對石灰巖地貌進行系統分類的是羅曼，時間是1858年，都晚于徐霞客。

徐霞客在地理科學上的貢獻很多，對火山、溫泉等地熱現象也都有考察研究，對氣候的變化，對植物因地勢高度不同而變化等自然現象，都作了認真的描述和考察。此外，他對農業、手工業、交通的狀況，對各地的名勝古跡演變和少數民族的風土人情，也都有生動的描述和記載。

徐霞客不僅對地理學有重大貢獻，而且在文學領域中也有很深的造詣。他寫的游記，既是地理學上珍貴的文獻，又是筆法精湛的游記文學。他的游記，與他描繪的大自然一樣質樸而綺麗，有人稱贊它是“世間真文字，大文字，奇文字”。