肖莱马对有机化学发展最主要的贡献是对脂肪烃的系统研究。从1862年起，他从煤焦油和石油中先分离出戊烷、己烷、庚烷和辛烷，仔细地测定了这些脂肪烷烃的沸点等物理常数，分析了它们的元素组成，并通过测定其蒸汽密度求出了其分子量。随后他继续对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷直到辛烷都作了深入研究，又通过卤化、水解、氧化、酯化等反应制备并考察了这些烷烃的衍生物，如卤化物、饱和一元醇、脂肪酸、醛、酮及酯等，实现了一系列有机合成。这种系统的基础的研究，极大地丰富了人们对脂肪烃的认识。在他以前，化学家只对个别的、最低的几种烷烃进行过研究，人们对脂肪烃的认识是零散和无规律的。正是肖莱马开创了脂肪烃、包括高级烃在内的系统研究，可以说我们对脂肪烃的有关知识，最初就是由肖莱马提供的。为了了解和掌握脂肪烃的系统知识，肖莱马不仅付出了辛勤的劳动，而且还是冒着很大的风险的。由于各种脂肪烃的知识还是空白，实验研究中发生爆炸事故是难以避免的。对此，恩格斯描绘肖莱马时说：“那时候，他常常脸上带着血斑和伤痕来看我。跟脂肪烃打交道可不是闹着玩的；这些大部分还没有被认识的物质，总是在他手上爆炸，这样他就得到了不少光荣的伤痕。只是因为戴着眼镜，他才没有为此而丧失视力。”

1857年，德国化学家凯库勒提出了碳原子是四价和碳原子间可以相互连成键状的学说。这学说是有机化学的基本理论，也是有机化学发展的关键点。然而这学说的基本观点和思想并没有立即为广大化学家所接受，特别对于碳原子的四价是否等同，碳原子间又是如何相连。认识很不统一。最伤脑筋的是如何运用这一学说来解释有机化学中大量存在的异构现象。在当时有人就认为碳的四价是相异的，并以此来解释同分异构现象。有人认为乙烷存在CH3—CH3（甲基）和CH3—H（氢化乙基）两种异构物，并由此推广认为CnH2n+2烷烃也应有类似的两个系列的异构物。为此肖莱马选择了这一课题作为自己的攻关对象。1862-1864年3年里，他做了大量的相关实验，最后以雄辩的事实证明碳原子的四价的同一性，推翻了上述关于烷烃存在两个结构系列的假定，清楚地阐明正因为碳原子以其等同的四价与其它碳原子作不同的排列，才呈现出不同的结构而产生异构现象。肖莱马的这一工作对于化学结构理论的推广发展起了积极作用，同时也表明肖莱马在科学研究中是勇敢的和有革新精神的。肖莱马在弄清了异构现象后，转向了对同系物现象的研究。经过扎实、细致的实验研究，他发现了一条定律，恩格斯把它称为“CnH2n+2系列碳氢化合物的沸点定律”该定律指出烷烃分子随着碳原子的增加，沸点逐步升高，直链烷烃与具有同样碳原子数的支链烷烃相比，具有更高的沸点。这一定律清楚他说明有机物性质与其结构之间存在内在的联系，即有机物的性质受其化学结构所制约。

此外肖莱马在脂肪醇方面的研究也取得很大的成绩。他发现了将仲醇转变成伯醇的普遍反应，有人称这反应为肖莱马反应。这个反应后来在有机合成中得到广泛的应用。1872年，为了便于教学，他亲自编写了一本具有独创性的《碳化合物的化学教程》。这本书是完全按着有机化学结构理论而写成的优秀教利书，在欧洲很受欢迎。1877年，肖莱马和罗斯科合作编写了《化学教程大全》。这是一部百科全书式的化学教本，全书共9卷，到肖莱马去世后才出齐，至本世纪20年代先后发行了5版。恩格斯在谈到这本书时指出：“他的巨著化学教程，虽然是他和罗斯科合著的，但几乎完全是他一个人写的（这是所有的化学家知道的），此书被认为是英国和德国最好的一部著作。”

1859年秋，到英国后不久，经人介绍肖莱马认识了革命导师马克思、恩格斯。频频的来往使他们很快成为亲密的朋友。肖莱马为人诚挚而谦逊，幽默而乐观，马克思、恩格斯非常喜欢他，给他取了“快乐的农夫”的诨号。在马克思、恩格斯的直接影响下，肖莱马开始研究科学的社会主义，学习马克思的经济学说和历史理论，政治觉悟提高很快，不久就成为德国工人阶级的政党——社会民主党的早期党员和共产国际的成员，积极参加国际工人运动。他多次充当马克思、恩格斯的联络员来往于欧洲各国，因此欧洲各社会主义政党的领导人都知道肖莱马。在马克思、恩格斯与各种机会主义流派的斗争中，肖莱马始终坚定地站在马、恩一边。肖荣马生前未曾结婚，他把全部精力都扑在事业上，同时他还把他的大部分收入捐献给党和生活有困难的同志，在党内赢得很高的威信。恩格斯高度地赞扬了肖莱马的高尚品质，说：“这真是我长期以来认识的最好的人中的一位。”作为化学家，肖莱马有与众不同之处，这就是他在研究化学时，能自觉地应用唯物辩证观点来观察和思考。他用量变到质变的规律去解释烷烃中的同系物现象。他从有机合成的成就和发展趋势预见了人工合成蛋白质的未来远景。特别是他运用了唯物史观认真地研究了化学史，他在1879年用英文发表的著作《有机化学的产生和发展》就是他的一次尝试和一项重要成果。该书1885年被译成法文，1889年作者又出版了此书的德文版。此书的英文增订版是作者逝世后的1894年出版的，由此可见该书深受欢迎。本来肖莱马还要撰写一部化学通史，可是直到他逝世，他只完成了六七百页的手稿。因为工作太忙以及他的早逝，这部有许多新观点的作品未能面世，实在可惜。

通过化学史的研究，肖莱马明确地指出：“化学的发展是按辩证法规律进行的。”他还用了化学史上的具体事例来说明利学的发展对生产实践的依赖性和促进作用及科学理论与实践的相互作用。当深受化学传统中的经验论影响的德国化学家柯尔贝反对荷兰化学家范霍夫提出的立体化学学说时，肖莱马立即表明自己支持立体化学学说的立场，明确指出：为发展自然科学，就需要有新的假说：要建立新的假说，就需要理论思维。假说有的可能是错的，有的经受了实践的检验就能成为科学的理论。化学家离开了理论思维，单靠实验是不能成为好的化学家的。在强调理论思维的重要性时，肖莱马又指出，不要把现有的理论当作教条，因为它也要按辩证法规律不断发展。当新的实验事实与现有理论发生矛盾时，首先应尊重事实，提出新的假说，本应墨守旧的理论框框。

肖莱马在他一生的最后20年内，特别注意用马克思主义哲学观点来考察自然科学的理论问题。他在欧文斯学院还专门开设了化学史和化学哲学两门课，这两门新课深受学生们的欢迎，因为从中他们得到的不仅是知识，而是智慧和思想的启示。从恩格斯1873年5月30日致马克思的信中，可以知道肖莱马参与讨论了恩格斯的《自然辩证法》的写作计划。肖莱马在信纸边上写上了注语，表示他完全同意恩格斯提出的自然科学的对象是运动着的物体，物体和运动是不可分割的，自然科学只有通过物体的联系及其运动来考察，才能认识物体的辩证关系。由此可见肖莱马和马克思、恩格斯的亲密关系，实际上肖莱马是马克思、恩格斯研究科学问题的一个顾问。

正当革命和科学事业都需要肖莱马作出更多贡献的时候，无情的肺癌夺去了他的生命。1892年6月27日肖莱马与世长辞，终年58 岁。恩格斯专程前来参加葬礼，并代表党的执委会在墓前献上花圈。参加葬礼的还有欧文斯学院的全体教师和他的许多学生。后来为了纪念他，欧文斯学院创建“卡尔·肖莱马化学实验室”以示永久纪念。