此时的李四光作为地质学家，急国家之所急，一手抓铀矿地质，一手抓天然油气地质。以往他多侧重基础性研究工作，积累了丰实的科学知识与经验，为适应新中国发展国民经济建设的需要，他又积极开拓应用地质领域的工作。
1954年3月1日，李四光应邀到燃料工业部石油管理总局作了《从大地构造看我国石油勘探远景》的报告。当时参加报告会的有苏联石油访问团和在华工作的石油专家。他用地质力学理论，详细地论证了我国地质构造特征和可能含油的远景地区，着重指出从东北平原通过渤海湾、华北平原往南到两湖地区是有重要意义的地区，应组织力量进行摸底。以后他又指出新华夏构造体系最东边的一条沉降带，黄海、东海乃至南海地区的海域含油远景，并不亚于陆地。李四光全局性、战略性的预测，在后来的区域普查和开发勘探中，基本上一步一步得到了证实。李四光在寻找祖国石油和天然气资源方面建立了不可磨灭的功绩，并因地球科学对发现大庆油田的突出贡献而荣获国家自然科学一等奖。他的地质力学理论也因此受到了特别的重视。1956年地质部成立了地质力学研究室，1958年改成研究所，李四光亲自兼任所长。当时，李四光还担任着全国石油地质委员会的主任委员。这年，李四光还被苏联科学院全体大会推选为苏联科学院院士。第二年，苏联科学院主席团又授予他卡尔宾斯基金质奖章。他在国际上享有崇高的荣誉和威望。
1959年，李四光开始撰写《地质力学概论》，1962年内部发行。这部著作，系统总结了李四光和他的学生们几十年的研究成果，是地质力学文库中的经典性著作，它标志着地质力学的完善与成熟。地质力学研究所用这部书做教材，一连办了三期地质力学进修班，向100多名地质研究骨干，介绍了地质力学理论与方法，并使地质力学得到了进一步的应用、普及和验证。1960年，李四光在北京西山地质力学研究所召开了中国第四纪冰川遗迹研究工作座谈会，并带领与会人员察看了北京西山地区新发现的第四纪冰川遗迹。会上成立了中国第四纪冰川遗迹研究中心联络组，李四光任组长，指导全国第四纪冰川遗迹的调查研究工作。
1962年，广东新丰江水库建成后，连续发生诱发性地震，李四光十分关心，他组织力量着手研究测试地应力的活动规律。1966年邢台发生强震之后，李四光对地震预测研究更加感到紧迫，他亲自到现场，亲自作地应力测试试验。他认为作为地壳能量集中释放的地震是有脉络可寻的，是有前兆出现的，只要深入工作，是可以预报的。他为解决地震预报问题进行深入的试验研究。早在1953年，中国科学院就成立了地震工作委员会，李四光兼任主任委员，做过一些工作，但大多是跟在地震的后面跑。李四光认为没有提前10年、15年在战略性地区开展地震预报的研究工作，是犯了一个错误。李四光认为，要预测地震，就要划分危险区，建立地震预测试验站，研究地震应力作用的过程。要进行地应力测量就应该仔细研究构造应力场。了解了应力场的特点，才好追索构造运动的起源。但这仅仅是一个方面，另外一方面，还应注重岩石性质问题，岩石的机械性质和化学性质，是很重要的决定因素。把这两种因素，即矛盾的双方，同时加以考虑和分析，才能对地震发生的时间、地点、频度和强度作出科学的判断。李四光认为这是对地震预报的一条有效的探索途径。1971年4月，在他病危期间还曾问大夫他还有多少时间？他说：“如果还能给我半年时间，地震预报的解决是有希望的。”可惜，4月29日他就溘然长逝了。李四光的去世，对于我国地震预报工作是难以弥补的一个损失。
李四光在生命最后的一二年中，还为*主席等中央领导编写了一本《天文、地质、古生物资料摘要（初稿）》。这本书可以说是他一生攻研地球科学思想路线的总结与表达。他把天、地、生三者视为一个相互制约、相互联系的整体，再把有关数、理、化的部分知识要点，精炼出来熔于一炉，表达了李四光在从事自然科学研究的长期科学实践中所形成的思路、观点与认识。这种从实践中总结出来的系统整体论思想及其方法论，是十分可贵的。1972年，这本书正式出版，全书15万多字，附有60多幅照片和插图。书的最后一部分“地壳构造和地壳运动”，是全书的一个重点。在这里，李四光再次强调了构造体系的观点，提出解决大陆构造问题应该立足于确实可靠的构造现象，即构造体系的研究。这一点，也是李四光在地质学上最重要的贡献。
李四光在生命的最后几年中，还特别关心地下热能资源的开发与利用，逝世前一年，他不顾身患危症，一定要到天津视察地下热水的开发与利用的情况。打开地下热能宝库，减轻煤炭资源的消耗，是他多年在能源利用方面研究的重要课题，也是他逝世前最为关心的重大问题之一。
