徐義剛一直致力于幔源巖石的巖石學、地球化學研究工作，其主要科技貢獻包括：

（1）上地幔變形作用和地球化學性質之間的關系及其深部動力學意義。運用綜合研究方法，探討了伊通新生代玄武巖中特有的具糜棱結構的橄欖巖包體所經(jīng)歷的構造熱演化及動力學，證實了上地幔韌性剪切帶的存在。強調其形成與超大斷裂活動性之間的關系；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間約束，認為流體的存在并不是剪切變形的先決條件，從而為地幔學術界長期爭論的流體和地幔變形之間的因果關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構、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關系，提出了上地幔底辟上升和熱擴散平衡的動力學模式，闡明了不同結構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致其流變學性質的改變，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-減薄機制提供了一個可行的動力學模式。

（2） 上地幔熔體-巖石反應機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構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和橄欖石生成反應兩個系列。這是對構造橄欖巖體研究的重要補充，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)。運用0-維數(shù)值模型計算了微量元素在上地幔熔體遷移/反應過程中地球化學行為。該成果對認識熔體/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） 地幔地質溫壓計的檢測，應用和中國東部地幔巖石圈熱演化系統(tǒng)總結和科學評價了常用的二十多種溫度計和五種壓力計的優(yōu)缺點，為國內學者更加審慎地選用溫壓計提供了依據(jù)，在此基礎上，探討了中國東部上地幔熱結構和熱演化歷史。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，結合實驗巖石學資料和巖石圈拉張歷史，提出了一個熱-構造演化模式，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地球化學研究，填補了中國在地幔巖PGE研究領域的空白。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行為。

據(jù)統(tǒng)計，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，中國科學院廣州分院、廣東省科學院優(yōu)秀青年科技工作者；

1997年，第六屆中國地質學會“青年地質科技金錘獎”；

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” ；

1998年，第七屆中國礦物巖石地球化學學會“侯德封獎” ；

1999年，獲國家杰出青年基金，中科院百人計劃入選者；

2000年，中國科學院“杰出青年”；

2001年，第三屆廣東省“五四青年”獎章；

2011年，主持的“華北及鄰區(qū)深部巖石圈的減薄與增生”國家自然科學家項目成果獲得2011年度國家自然科學二等獎。

2017年11月，中國科學院發(fā)布2017年院士增選結果，徐義剛當選地學部院士。