李述湯院士長期從事有機光電子材料及顯示器件、納米功能材料及器件以及金剛石和相關超硬薄膜領域的研究，在上述領域都取得了卓越的成就，并獲得了一系列創(chuàng)新性研究成果。其主要研究成果“金剛石及新型碳基材料的成核與生長”、“氧化物輔助合成一維半導體納米材料及應用”和“高效光/電轉換的新型有機光功能材料”先后榮獲德國洪堡基金會研究成就獎（Humboldt Research Award）和香港裘槎基金會高級研究成就獎（Croucher Senior Research Fellowship），并三次榮獲國家自然科學二等獎（2002年唯一完成人，2005年第一完成人，2013年第二完成人）。2008年獲何梁何利基金科技進步獎。2013年獲蘇州市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)市長獎。

在國際化學、物理、材料等領域的著名期刊發(fā)表學術論文1,100余篇，撰寫專著9部，獲美國專利20余項，論文被他人引用超過60,000次，H-index達到123。其中有7篇研究論文發(fā)表在著名的《科學》（美國）和《自然》（英國）期刊，另有數(shù)十篇學術論文以封面文章的形式發(fā)表。其研究成果在國際材料科學界占有重要地位。2014、2015、2016、2018年入選科睿唯安（Clarivate Analytics，原湯森路透公司（Thomson Reuters））發(fā)布的“全球高引用科學家名錄”（Highly Cited Researchers）。

李院士擔任多家國際學術期刊的編輯。他是《ACS Nano》和《Diamond & Related Materials》副總編輯，《Applied Physics Letters》副主編（2006-2014），《Physica Status Solidi》亞太區(qū)主編（2004-2007），《Nano Research》《National Science Review》、《New Carbon Materials》和《Journal of Materials Science & Technology》編輯委員會委員，以及《Advanced Functional Materials》和《Applied Nanoscience》顧問委員會委員。此外，他先后被聘為復旦大學顧問教授，山東大學、中南理工大學名譽教授，中國科學院物理所和中國科學院長春光學精密機械與物理研究所客座研究員，北京大學、上海交通大學、吉林大學、浙江大學和大連理工大學的客座教授。