徐旭生由於對考察團的卓越組織領導，獲得以瑞典國王名義頒發的勳章。我國政府爲這次考察出紀念郵票一套——這是我國第一次爲學術界出版發行紀念郵票。
徐旭生的後半生辛勤耕耘於史學領域。1933年前往西安，組織了西北地區第一個考古機構陝西考古會。主持寶雞鬥雞臺遺址的發掘工作達數年之久。寫有《陝西渭河附近考古調查報告》、《陝西最近發現之新石器時代遺址》等學術論文。
從1932年起，他開始探索中華民族的形成問題，專心研究中國古史傳說，並著有《中國古史的傳說時代》一書。他認爲，中國古代部族的分野，大致可分爲華夏、東夷、南蠻三個集團。這三大集團相互鬥爭，後又和平共處，終於完全同化，漸次形成後來的漢族。其中經歷三大變化：一是華夏族與東夷族漸次同化;氏族林立的中國漸次合併，形成若干大部落。二是黃帝死後，高陽氏出現，這已是民族社會末期，生產力有所發展，貧富分化，勞心與勞力分工;而帝顓頊的“絕地天通”的宗教改革，對後來有很大影響。三是大禹治水後，氏族制度逐漸解體，變成了有定型有組織的王國。
我國曆史上第一個朝代——夏朝早在公元前22世紀末就建立了。但長期以來，夏代卻是考古方面的一大空白點。徐旭生根據文獻記載，經過認真細緻的研究，在《略談研究夏文化問題》一文中明確指出，有兩個地區應該特別注意：一是豫西地區的洛陽平原以及嵩山周圍，尤其是潁水谷的上游登封、禹縣一帶;二是山西省西南部分汾水下游一帶。1959年夏，72歲高齡的徐旭生親自奔赴豫西地區，對“夏墟”進行實地調查，踏察了告成、石羊關、閻砦、谷水河、二里頭等重要遺址，寫成《1959年夏豫西調查‘夏墟’的初步報告》。
1964年春季，他又親臨偃師二里頭工地，具體指導遺址的發掘工作，探察期間，他謝絕地方政府的照顧，每去一地，隨身帶着一小卷鋪蓋，和年輕人一起坐硬座，住工棚，吃普通伙食，誤了吃飯時間，就買點紅薯饃饃充飢，常常一天步行40多裏。有一次遇上大雨，人們勸他坐大車，他不同意，堅持脫鞋光腳在泥濘路上步行。不管白天多麼勞累，他晚上都要堅持在煤油燈下，詳細地記錄調查收穫和心得，他這種不畏艱辛，一心爲科學事業的雄心，愈老愈堅。爾後，二里頭、告成、下馮、陶寺等遺址先後發掘。目前，屬於二里頭文化的遺址已發現一百多處，正式發掘的一二十處，取得了巨大考古成果。徐旭生不愧爲夏文化探索的開拓者。
徐先生的精神感人至深。與他一起工作多年的黃石林在《徐旭生先生傳略》中寫道：“徐老的一生勤奮好學、博覽羣書，是一位淵博的學者。他的爲人正派、耿直、真誠、樸素，處處都是我們的表率。他那慈祥和藹的學者風度，爲學術研究而辛勤努力，工作上認真負責，治學上嚴謹求實，堪稱一代師表，是我們永遠學習的榜樣。”
