科研成果自“十二五”以来，广州地球化学研究所取得了多项科研成果，获得国家和省部级科研成果奖励7项，其中国家二等奖2项(第一完成单位1项),省部级一等奖5项(第一完成单位)。全所共发表SCI论文2697篇，其中国际SCI论文2363篇。由于研究所近几年重视应用技术和技术开发工作，专利成果也得到明显提高。
具有代表性的成果有：
一、“持久性有机污染生物有效性研究”获得2003年广东省科学技术一等奖，并于2006年获得国家自然科学二等奖，傅家谟院士由于在有机地球化学和环境科学领域中做出的突出贡献，被授予首届“广东省科学技术突出贡献奖”。该奖于2007年底由广东省人民政府设立，授予在广东省从事自主创新工作，为建设创新型广东做出重大突出贡献的科技人员。
二、陈鸣研究员与美国卡内基地球物理实验室合作者经过近7年的合作完成了“天然后尖晶石超高压矿物的发现” 。天然后尖晶石超高压矿物包括谢氏超晶石和另一种铬铁矿高压多形，产出在冲击变质陨石中，这是首次在自然界发现的后尖晶石结构超高压矿物。谢氏超晶石于2008年获得国际新矿物、命名与分类委员会的批准和正式命名。天然后尖晶石超高压矿物的发现引起了国际地质学界的关注。天然后尖晶石超高压矿物的发现表明地球深部可能存在“尖晶石-后尖晶石”结构转变。后尖晶石超高压矿物的天然产状是可应用于判断冲击变质陨石和从地球深部折返的地幔岩石压力温度历史的压力标准。他们的发现不但为探索地球深部岩石成因历史提供了一个有效窗口，而且为当前受到广泛关注的大陆碰撞带构造地质学研究开辟了一个有效的途径。研究成果入选中国地质学会“2008年度十大优秀地质科技成果”。
三、徐义刚研究员团队通过详尽的野外考察及取样，从云南省宾川地区发育的玄武岩顶部夹层凝灰岩中分选出锆石，并采用CA-TIMS单颗粒锆石U-Pb高精度定年方法，获得样品206Pb/238U年龄为259.1 ± 0.5 Ma。这一年龄解释为峨眉山溢流玄武岩喷发的截止时间。而根据该团队之前对四川广元地区G-L界线粘土岩的矿物学、地球化学特征和Lu-Hf同位素特征的讨论，认为西南地区G-L界线粘土岩不是前人普遍认为的空降成因的酸性火山灰，而是峨眉山大火成岩省顶部酸性岩遭受风化、剥蚀、搬运，而后再沉积而形成的。因此，峨眉山大火成岩省顶部的酸性火山岩、宣威组底部碎屑岩和G-L界线王坡页岩段近似为一区域等时线，代表了一个等时地质界面，而这一界面与华南地区中-上二叠统界线完全重合。因此259.1 ± 0.5 Ma的年龄值逼近G-L界线年龄值，并已被国际地层委员会二叠纪分会采纳，更新进入地质年代表。
四、“白龙山世界级伟晶岩型锂多金属矿的发现”
2017年，王核研究员在新疆和田县发现白龙山世界级伟晶岩型锂多金属矿。该成矿带的长大于5000m，厚46-165m的含锂辉石花岗伟晶岩脉，圈定12个矿体，资源量初步估算：氧化锂373万吨，氧化铍12.6万吨，氧化铷29.3万吨，其中I-V号矿体占资源量的98%。该成矿带潜在经济价值超过2万亿元，可一举改变我国锂资源依赖进口的格局，本项发现入选中科院创新成就展。
五、大气二次污染物成因与控制
王新明研究员等人面向粤港澳大湾区臭氧（O3）污染日益突出、细粒子（PM2.5）污染持续改善的重大现实需求，以广州为例，通过野外观测-烟雾箱模拟-模型计算相结合，给出臭氧前体物来源与分区、分阶段O3污染控制策略和路线图；通过加强观测，揭示了重污染过程中典型空气毒害有机物和二次有机气溶胶前体物的来源；通过烟雾箱模拟，揭示典型前体物和排放源大气演化过程中颗粒物化学组成和光学性质演化，为探讨二次气溶胶成因机制和量化颗粒物大气演化过程中成霾（消光）与辐射特性提供科学依据。
六、发现中国黄土高原212万年以来的上陈旧石器遗址
在将中国蓝田公王岭直立人头盖骨赋存地层年代由原来距今1.15 Ma前推至距今约1.63 Ma之后，中国科学院广州地球化学研究所朱照宇研究员（地球环境所黄土与第四纪地质国家重点实验室客座研究员）联合中科院古脊椎动物与古人类研究所黄慰文研究员和英国国家科学院院士Robin Dennell教授以及来自国内十余个单位的研究者，在历经13年（2004-2017年）的调查研究之后，在陕西省蓝田县发现了一处新的古人类活动遗址——上陈旧石器遗址，并且将目前所见的旧石器赋存的最老地层年代测定为距今约2.12 Ma。这一结果将蓝田地区古人类活动遗迹的年代再次向前推进了约50万年，从而使上陈遗址成为目前所知非洲以外最老的古人类遗迹点之一。这一年龄比目前公认的西亚格鲁吉亚德玛尼斯旧石器遗址年代（距今1.85 Ma）还早27万年。相关成果7月11日在线发表在Nature杂志上。
这一突破性研究成果拓展了处于国际领先地位的中国黄土-古土壤序列研究在古人类与古文化方面的新方向，并将促使人们重新审视早期古人类起源、迁移和扩散的格局。
