科研成果自“十二五”以來，廣州地球化學研究所取得了多項科研成果，獲得國家和省部級科研成果獎勵7項，其中國家二等獎2項(第一完成單位1項),省部級一等獎5項(第一完成單位)。全所共發表SCI論文2697篇，其中國際SCI論文2363篇。由于研究所近幾年重視應用技術和技術開發工作，專利成果也得到明顯提高。
具有代表性的成果有：
一、“持久性有機污染生物有效性研究”獲得2003年廣東省科學技術一等獎，并于2006年獲得國家自然科學二等獎，傅家謨院士由于在有機地球化學和環境科學領域中做出的突出貢獻，被授予首屆“廣東省科學技術突出貢獻獎”。該獎于2007年底由廣東省人民政府設立，授予在廣東省從事自主創新工作，為建設創新型廣東做出重大突出貢獻的科技人員。
二、陳鳴研究員與美國卡內基地球物理實驗室合作者經過近7年的合作完成了“天然后尖晶石超高壓礦物的發現” 。天然后尖晶石超高壓礦物包括謝氏超晶石和另一種鉻鐵礦高壓多形，產出在沖擊變質隕石中，這是首次在自然界發現的后尖晶石結構超高壓礦物。謝氏超晶石于2008年獲得國際新礦物、命名與分類委員會的批準和正式命名。天然后尖晶石超高壓礦物的發現引起了國際地質學界的關注。天然后尖晶石超高壓礦物的發現表明地球深部可能存在“尖晶石-后尖晶石”結構轉變。后尖晶石超高壓礦物的天然產狀是可應用于判斷沖擊變質隕石和從地球深部折返的地幔巖石壓力溫度歷史的壓力標準。他們的發現不但為探索地球深部巖石成因歷史提供了一個有效窗口，而且為當前受到廣泛關注的大陸碰撞帶構造地質學研究開辟了一個有效的途徑。研究成果入選中國地質學會“2008年度十大優秀地質科技成果”。
三、徐義剛研究員團隊通過詳盡的野外考察及取樣，從云南省賓川地區發育的玄武巖頂部夾層凝灰巖中分選出鋯石，并采用CA-TIMS單顆粒鋯石U-Pb高精度定年方法，獲得樣品206Pb/238U年齡為259.1 ± 0.5 Ma。這一年齡解釋為峨眉山溢流玄武巖噴發的截止時間。而根據該團隊之前對四川廣元地區G-L界線粘土巖的礦物學、地球化學特征和Lu-Hf同位素特征的討論，認為西南地區G-L界線粘土巖不是前人普遍認為的空降成因的酸性火山灰，而是峨眉山大火成巖省頂部酸性巖遭受風化、剝蝕、搬運，而后再沉積而形成的。因此，峨眉山大火成巖省頂部的酸性火山巖、宣威組底部碎屑巖和G-L界線王坡頁巖段近似為一區域等時線，代表了一個等時地質界面，而這一界面與華南地區中-上二疊統界線完全重合。因此259.1 ± 0.5 Ma的年齡值逼近G-L界線年齡值，并已被國際地層委員會二疊紀分會采納，更新進入地質年代表。
四、“白龍山世界級偉晶巖型鋰多金屬礦的發現”
2017年，王核研究員在新疆和田縣發現白龍山世界級偉晶巖型鋰多金屬礦。該成礦帶的長大于5000m，厚46-165m的含鋰輝石花崗偉晶巖脈，圈定12個礦體，資源量初步估算：氧化鋰373萬噸，氧化鈹12.6萬噸，氧化銣29.3萬噸，其中I-V號礦體占資源量的98%。該成礦帶潛在經濟價值超過2萬億元，可一舉改變我國鋰資源依賴進口的格局，本項發現入選中科院創新成就展。
五、大氣二次污染物成因與控制
王新明研究員等人面向粵港澳大灣區臭氧（O3）污染日益突出、細粒子（PM2.5）污染持續改善的重大現實需求，以廣州為例，通過野外觀測-煙霧箱模擬-模型計算相結合，給出臭氧前體物來源與分區、分階段O3污染控制策略和路線圖；通過加強觀測，揭示了重污染過程中典型空氣毒害有機物和二次有機氣溶膠前體物的來源；通過煙霧箱模擬，揭示典型前體物和排放源大氣演化過程中顆粒物化學組成和光學性質演化，為探討二次氣溶膠成因機制和量化顆粒物大氣演化過程中成霾（消光）與輻射特性提供科學依據。
六、發現中國黃土高原212萬年以來的上陳舊石器遺址
在將中國藍田公王嶺直立人頭蓋骨賦存地層年代由原來距今1.15 Ma前推至距今約1.63 Ma之后，中國科學院廣州地球化學研究所朱照宇研究員（地球環境所黃土與第四紀地質國家重點實驗室客座研究員）聯合中科院古脊椎動物與古人類研究所黃慰文研究員和英國國家科學院院士Robin Dennell教授以及來自國內十余個單位的研究者，在歷經13年（2004-2017年）的調查研究之后，在陜西省藍田縣發現了一處新的古人類活動遺址——上陳舊石器遺址，并且將目前所見的舊石器賦存的最老地層年代測定為距今約2.12 Ma。這一結果將藍田地區古人類活動遺跡的年代再次向前推進了約50萬年，從而使上陳遺址成為目前所知非洲以外最老的古人類遺跡點之一。這一年齡比目前公認的西亞格魯吉亞德瑪尼斯舊石器遺址年代（距今1.85 Ma）還早27萬年。相關成果7月11日在線發表在Nature雜志上。
這一突破性研究成果拓展了處于國際領先地位的中國黃土-古土壤序列研究在古人類與古文化方面的新方向，并將促使人們重新審視早期古人類起源、遷移和擴散的格局。
