曙光在变质同位素年代学理论研究方面较早发现超高压榴辉岩的白云母含大量过剩氩提出并证明了超高压变质与退变质矿物之间存在同位素不平衡较早发现在低级变质条件下稀土元素可活动，且Sr-Nd体系可被重置首次精确测定了榴辉岩中金红石的U－Pb年龄。测定大别山榴辉岩年龄获得华北与华南陆块在三叠纪碰撞的结论系统测定了北、南秦岭一系列蛇绿岩及岩浆岩的同位素年龄，为秦岭造山带多陆块拼合模型的建立提供了重要依据。测定出大别山超高压岩石的二次快速冷却曲线，并通过同位素示踪对其多阶段快速折返机制提出较完整模型。2011年以来，李曙光率先开展了利用Mg同位素示踪深部碳循环研究，揭示了在板块俯冲过程中的镁同位素地球化学行为，发现中国东部上地幔存在大尺度Mg同位素异常，证明中国东部上地幔是由西太平洋板块俯冲引入的再循环碳酸盐形成的巨大碳库。