徐霞客二十八歲那年，來到溫州攀登雁蕩山。他想起古書上說的雁蕩山頂有個大湖，就決定爬到山頂去看看。當他艱難地爬到山頂時，只見山脊筆直，簡直無處下腳，怎麼能有湖呢？可是，徐霞客仍不肯罷休，繼續前行到一個大懸崖，路沒有了。他仔細觀察懸崖，發現下面有個小小的平臺，就用一條長長的布帶子系在懸崖頂上的一塊岩石上，然後抓住布帶子懸空而下，到了小平臺上才發現下面鬥深百丈，無法下去。他只好抓住布帶，腳蹬懸崖，吃力地往上爬，準備爬回崖頂。爬着爬着，帶子斷了，幸好他機敏地抓住了一塊突出的岩石，不然就會掉下深淵，粉身碎骨。徐霞客把斷了的帶子結起來，又費力地向上攀援，終於爬上了崖頂。還有一次，他去黃山考察，途中遇到大雪。當地人告訴他有些地方積雪有齊腰深，看不到登山的路，無法上去。徐霞客沒有被嚇住，他拄了一根鐵杖探路，上到半山腰，山勢越來越陡。山坡背陰的地方最難攀登，路上結成堅冰，又陡又滑，腳踩上去，就滑下來。徐霞客就用鐵杖在冰上鑿坑。腳踩着坑一步一步地緩慢攀登，終於爬了上去。山上的僧人看到他都十分驚奇，因爲他們被大雪困在山上已經好幾個月了。他還走過福建武夷山的三條險徑：大王峯的百丈危梯，白雲岩的千仞絕壁和接筍峯的“雞胸”、“龍脊”。在他登上大王峯時，已是日頭將落，下山尋路不得，他就用手抓住攀懸的荊棘，“亂墜而下”。他在中嶽嵩山，從太室絕頂上也是順着山峽往下懸溜下來的。徐霞客驚人的遊跡，的確可以說明他是一位千古奇人。
徐霞客在跋涉一天之後，無論多麼疲勞，無論在什麼地方住宿，他都堅持把自己考察的收穫記錄下來。他寫下的遊記有二百四十多萬字，可惜大多失散了。留下來的經過後人整理成書，就是著名的《徐霞客遊記》。這部書四十多萬字，是把科學和文學溶合在一起的一大“奇書”。
徐霞客的遊歷，並不是單純爲了尋奇訪勝，更重要的是爲了探索大自然的奧祕，尋找大自然的規律。如他對福建建溪和寧洋溪水流的考察，就是一例。黎嶺和馬嶺分別爲建溪和寧洋溪的發源地，兩座嶺的高度大致相等，可是兩條溪水入海的流程相差很大，建溪長，而寧洋溪短。徐霞客經過考察，找出寧洋溪的水流比建溪快的結論。“程愈迫則流愈急”，也就是說路程越短，水流越急。這個地理學上的著名結論，就是由徐霞客通過實地考察得出來的。他在山脈、水道、地質和地貌等方面的調查和研究都取得了超越前人的成就。
他對許多河流的水道源進行了探索，象廣西的左右江，湘江支流蕭、彬二水，雲南南北二盤江以及長江等等，其中以長江最爲深入。浩蕩的長江流經大半個中國，它的發源地在哪兒，很長時間都是個謎。戰國時期的一部地理書《禹貢》，書中有“岷江導江”的說法，後來的書都沿用這一說。徐霞客對此產生了懷疑。他帶着這個疑問“北歷三秦，南極五嶺，西出石門金沙”，查出金沙江發源於崑崙山南麓，比岷江長一千多裏，於是斷定金沙江纔是長江上源。由於當時條件的限制，徐霞客沒能找到長江的真正源頭。但他爲尋找長江源頭，邁出了極爲重要的一步。在他以後很長時間內也沒有人找到。直到1978年，國家派出考察隊才確認長江的正源是唐古拉山的主峯格拉丹冬的沱沱河。
徐霞客還是世界上對石灰岩地貌進行科學考察的先驅。我國西南地區石灰岩分佈很廣泛。徐霞客在湖南、廣西、貴州和雲南作了詳細的考察，對各地不同的石灰岩地貌作了詳細的描述、記載和研究。他還考察了一百多個石灰岩洞。在湘南九嶷山，他聽說有個飛龍巖，就請當地的和尚明宗引導，帶着火炬去考察。飛龍巖是個巨大的洞穴，曲曲折折，洞裏有洞，洞內又是坑又是水，很難行走。徐霞客全不顧及，一直深入進去，他的鞋跑掉了也不在乎。明宗幾次勸他回去，他都不聽。直到火炬快燒完了，他才戀戀不捨地往回走。他沒有任何儀器，全憑目測步量，但他的考察大都十分科學。如對桂林七星巖十五個洞口的記載，同今天我們的地理研究人員的實地勘測，結果大體相符。徐霞客去世後的一百多年，歐洲人才開始考察石灰岩地貌，徐霞客稱得上是世界最早的石灰岩地貌學者。
徐霞客在地理科學上的貢獻很多。除上述所說，他對火山、溫泉等地熱現象也都有考察研究，對氣候的變化，對植物因地勢高度不同而變化等自然現象，都作了認真的描述和考察。此外，他對農業、手工業、交通的狀況，對各地的名勝古蹟演變和少數民族的風土人情，也都有生動的描述和記載。他的這部奇書，在文學上的價值也很高，篇篇都可以說是優美的散文。
徐霞客最後一次出遊是在1636年，那時他已五十一歲了。這次他主要遊歷了我國的西南地區，一直到達中緬交界的騰越（今雲南騰衝），至1640年重新返回家鄉。他回鄉不久就病倒了。他在病中還翻看自己收集的岩石標本。臨死前，他手裏還緊緊的握着考察中帶回的兩塊石頭。
徐霞客熱愛祖國，熱愛科學，在科學事業上奮勇攀登的精神，是值得後人永遠學習的。
