徐義剛一直致力于幔源巖石的巖石學(xué)、地球化學(xué)研究工作，其主要科技貢獻(xiàn)包括：

（1）上地幔變形作用和地球化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系及其深部動(dòng)力學(xué)意義。運(yùn)用綜合研究方法，探討了伊通新生代玄武巖中特有的具糜棱結(jié)構(gòu)的橄欖巖包體所經(jīng)歷的構(gòu)造熱演化及動(dòng)力學(xué)，證實(shí)了上地幔韌性剪切帶的存在。強(qiáng)調(diào)其形成與超大斷裂活動(dòng)性之間的關(guān)系；并首次發(fā)現(xiàn)了橄欖巖包體中礦物顆粒間的氧同位素不平衡現(xiàn)象，為地幔剪切變形和地幔交代作用提供了時(shí)間約束，認(rèn)為流體的存在并不是剪切變形的先決條件，從而為地幔學(xué)術(shù)界長期爭論的流體和地幔變形之間的因果關(guān)系提供了新的判別依據(jù)。根據(jù)吉林汪清尖晶石相橄欖巖包體結(jié)構(gòu)、平衡溫度、主元素虧損程度和不相容元素富集程度之間的相關(guān)關(guān)系，提出了上地幔底辟上升和熱擴(kuò)散平衡的動(dòng)力學(xué)模式，闡明了不同結(jié)構(gòu)類型包體在底辟體中的空間展布及其對交代流體遷移的控制。認(rèn)為所有研究樣品均來自巖石圈地幔，但由于下伏軟流圈的上涌而導(dǎo)致其流變學(xué)性質(zhì)的改變，從而同軟流圈一起發(fā)生底辟。這一成果為華北自中生代以來發(fā)生的大規(guī)模熱侵蝕-減薄機(jī)制提供了一個(gè)可行的動(dòng)力學(xué)模式。

（2） 上地幔熔體-巖石反應(yīng)機(jī)理及其微量元素理論模擬通過對伊通含富鉀硅酸鹽玻璃體的異剝橄欖巖和法國中央高原具鑲嵌結(jié)構(gòu)I型尖晶石相方輝橄欖巖包體的研究，橄欖巖包體的研究，鑒定出了單斜輝石生成反應(yīng)和橄欖石生成反應(yīng)兩個(gè)系列。這是對構(gòu)造橄欖巖體研究的重要補(bǔ)充，對地幔不均一性及巖漿源區(qū)混合作用的研究具有重要意義。后者還提供了巖石圈最底部-地幔熱柱相互作用的證據(jù)。運(yùn)用0-維數(shù)值模型計(jì)算了微量元素在上地幔熔體遷移/反應(yīng)過程中地球化學(xué)行為。該成果對認(rèn)識(shí)熔體/流體在深部巖石圈地幔演化過程中的作用具有重要意義。

（3） 地幔地質(zhì)溫壓計(jì)的檢測，應(yīng)用和中國東部地幔巖石圈熱演化系統(tǒng)總結(jié)和科學(xué)評(píng)價(jià)了常用的二十多種溫度計(jì)和五種壓力計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，為國內(nèi)學(xué)者更加審慎地選用溫壓計(jì)提供了依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，探討了中國東部上地幔熱結(jié)構(gòu)和熱演化歷史。以在特定熱演化階段中古老巖石圈/軟流圈相互作用程度為思路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)資料和巖石圈拉張歷史，提出了一個(gè)熱-構(gòu)造演化模式，從而比較合理地解釋了中國東部中生代末期-新生代玄武巖的巖性，微量元素和同位素地球化學(xué)演化特征，為深部地幔研究提供了新思路。

（4） 率先開展了中國東部幔源橄欖巖的PGE地球化學(xué)研究，填補(bǔ)了中國在地幔巖PGE研究領(lǐng)域的空白。初步了解了不同類型巖石中這些元素的豐度和分布規(guī)律，揭示了中國東部上地幔特有的PGE分配型式（即富集Pt，虧損Ir和Pd）。探討了PGE在多種重要上地幔過程中的地球化學(xué)行為。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，徐義剛共發(fā)表論文80余篇，其中SCI檢索刊物論文41篇，被SCI他引頻次逾四百余次。

1995—1997年，中國科學(xué)院廣州分院、廣東省科學(xué)院優(yōu)秀青年科技工作者；

1997年，第六屆中國地質(zhì)學(xué)會(huì)“青年地質(zhì)科技金錘獎(jiǎng)”；

1998年，第六屆中組部、國家人事部、中國科協(xié)“中國青年科技獎(jiǎng)” ；

1998年，第七屆中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)“侯德封獎(jiǎng)” ；

1999年，獲國家杰出青年基金，中科院百人計(jì)劃入選者；

2000年，中國科學(xué)院“杰出青年”；

2001年，第三屆廣東省“五四青年”獎(jiǎng)?wù)拢?/p>

2011年，主持的“華北及鄰區(qū)深部巖石圈的減薄與增生”國家自然科學(xué)家項(xiàng)目成果獲得2011年度國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

2017年11月，中國科學(xué)院發(fā)布2017年院士增選結(jié)果，徐義剛當(dāng)選地學(xué)部院士。