徐霞客的游历，并不是单纯为了寻奇访胜，更重要的是为了探索大自然的奥秘，寻找大自然的规律。他在山脉、水道、地质和地貌等方面的调查和研究都取得了超越前人的成就。
徐霞客对许多河流的水道源进行了探索，象广西的左右江，湘江支流萧、彬二水，云南南北二盘江以及长江等等，其中以长江最为深入。长江的发源地在哪儿，很长时间都是个谜。战国时期的一部地理书《禹贡》，书中有“岷江导江”的说法，后来的书都沿用这一说。徐霞客对此产生了怀疑。
他带着这个疑问“北历三秦，南极五岭，西出石门金沙”，查出金沙江发源于昆仑山南麓，比岷江长一千多里，于是断定金沙江才是长江源头。在他以后很长时间内也没有人找到，直到1978年，国家派出考察队才确认长江的正源是唐古拉山的主峰格拉丹冬的沱沱河。
徐霞客还是世界上对石灰岩地貌进行科学考察的先驱。徐霞客在湖南、广西、贵州和云南作了详细的考察，对各地不同的石灰岩地貌作了详细的描述、记载和研究。他还考察了一百多个石灰岩洞。他没有任何仪器，全凭目测步量，但他的考察大都十分科学。如对桂林七星岩十五个洞口的记载，同今天地理研究人员的实地勘测，结果大体相符。
徐霞客去世后的一百多年，欧洲人才开始考察石灰岩地貌，徐霞客称得上是世界最早的石灰岩地貌学者。他指出，岩洞是由于流水的侵蚀造成的，石钟乳则是由于石灰岩溶于水，从石灰岩中滴下的水蒸发后，石灰岩凝聚而成钟乳石，呈现出各种奇妙的形状。这些见解，大部分符合现代科学的原理。
徐霞客通过亲身的考察，以无可辩驳的史实材料，论证了金沙江是长江的正确的源头，否定了被人们奉为经典的《禹贡》中关于“岷山导江”的说法。同时，他还辨明了左江、右江、大盈江、澜沧江等许多水道的源流，纠正了《大明一统志》中有关这些水道记载的混乱和错误。
他认真地观察河水流经地带的地形情况，看到了水流对所经地带的侵蚀作用，并认识到在河岸凹处的侵蚀作用特别厉害。他还注意到植物与环境的关系，观察在不同的地形、气温、风速条件下，植物生态和种属的不同情况，认识到地面高度和地球纬度对气候和生态的影响。对温泉、地下水等，徐霞客也都有一定的科学认识。在徐霞客对地理学的一系列贡献中，最突出的是他对石灰岩地貌的考察。
他是中国，也是世界上最早对石灰岩地貌进行系统考察的地理学家。欧洲最早对石灰岩地貌进行广泛考察和描述的是爱士培尔，时间是1774年；最早对石灰岩地貌进行系统分类的是罗曼，时间是1858年，都晚于徐霞客。
徐霞客在地理科学上的贡献很多，对火山、温泉等地热现象也都有考察研究，对气候的变化，对植物因地势高度不同而变化等自然现象，都作了认真的描述和考察。此外，他对农业、手工业、交通的状况，对各地的名胜古迹演变和少数民族的风土人情，也都有生动的描述和记载。
徐霞客不仅对地理学有重大贡献，而且在文学领域中也有很深的造诣。他写的游记，既是地理学上珍贵的文献，又是笔法精湛的游记文学。他的游记，与他描绘的大自然一样质朴而绮丽，有人称赞它是“世间真文字，大文字，奇文字”。