李述汤院士长期从事有机光电子材料及显示器件、纳米功能材料及器件以及金刚石和相关超硬薄膜领域的研究，在上述领域都取得了卓越的成就，并获得了一系列创新性研究成果。其主要研究成果“金刚石及新型碳基材料的成核与生长”、“氧化物辅助合成一维半导体纳米材料及应用”和“高效光/电转换的新型有机光功能材料”先后荣获德国洪堡基金会研究成就奖（Humboldt Research Award）和香港裘槎基金会高级研究成就奖（Croucher Senior Research Fellowship），并三次荣获国家自然科学二等奖（2002年唯一完成人，2005年第一完成人，2013年第二完成人）。2008年获何梁何利基金科技进步奖。2013年获苏州市创新创业市长奖。
在国际化学、物理、材料等领域的著名期刊发表学术论文1,100余篇，撰写专著9部，获美国专利20余项，论文被他人引用超过60,000次，H-index达到123。其中有7篇研究论文发表在著名的《科学》（美国）和《自然》（英国）期刊，另有数十篇学术论文以封面文章的形式发表。其研究成果在国际材料科学界占有重要地位。2014、2015、2016、2018年入选科睿唯安（Clarivate Analytics，原汤森路透公司（Thomson Reuters））发布的“全球高引用科学家名录”（Highly Cited Researchers）。
李院士担任多家国际学术期刊的编辑。他是《ACS Nano》和《Diamond & Related Materials》副总编辑，《Applied Physics Letters》副主编（2006-2014），《Physica Status Solidi》亚太区主编（2004-2007），《Nano Research》《National Science Review》、《New Carbon Materials》和《Journal of Materials Science & Technology》编辑委员会委员，以及《Advanced Functional Materials》和《Applied Nanoscience》顾问委员会委员。此外，他先后被聘为复旦大学顾问教授，山东大学、中南理工大学名誉教授，中国科学院物理所和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所客座研究员，北京大学、上海交通大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学的客座教授。
