在英国期间，他研究冷加工对钢的性能影响和氢在钢中的作用，证明钢中发裂是由于氢的存在所引起，提出了解释钢中发裂生成的理论。在氢脆方面进行了开拓性的工作，发现冷加工极大地增加常温下钢的电解渗氢量，使钢的氢脆敏感性显著提高；阐明了不同温度下钢材尺寸大小，时间与钢中氢含量的关系，为热处理去氢奠定了科学基础。基于上述工作，1951年在英国获得冶金学博士学位。雪菲尔德大学为了纪念他的成就，在他工作过的实验室里，悬挂他的像片，并陈列他亲手制造的一套定氢设备。

　　李薰回国后，负责筹建并主持金属所的工作，历时30年。在建所初期，他主要抓了四个方面的工作: 一是为武汉钢铁公司和包头钢铁公司的兴建，抓了大冶和白云鄂博两铁矿的选矿研究；抓了耐火粘土和硅石调查研究，配合地质勘探工作，为苏联援建设计提供可靠的科学依据。二是指导科研人员为鞍钢炼钢平炉强化冶炼，发明了铝镁砖，并深入研究其使用损毁机理，使铝镁砖的大发展成为可能；与鞍钢合作改进炼铁高炉高铝耐火砖炉衬。三是研究强化炼钢过程，与大连钢厂合作，在国内首选实现电炉氧气炼钢。四是研究提高钢质量。在李薰的主持下，建立了测定钢中氢、氧和非金属夹杂物的技术，并培训了工厂检验人员，在全国主要钢厂推广。有关钢中氢的工作，曾在1956年荣获中科院首次颁发的自然科学奖金三等奖。在此期间，李薰结合提高钢的质量和强化冶炼过程的工作，指导研究生和科研人员开展了冶金过程物理化学的研究。李薰在50年代就创造性地提出解决我国稀土资源利用的问题。他是我国稀土资源开发应用科研工作的奠基人和开拓者。在他的组织和推动下，金属所坚持不懈地进行了稀土开发应用的研究, 取得了一系列成果。1965年,国家科委成立的稀土和铌在钢中应用的领导小组，由李薰担任组长。

　　50年代末，金属所的研究方向从以服务于钢铁工业为主转变为主要发展新材料、新技术和相应的新测试方法。李薰迅速组织力量，于较短的时间内，在研制高温合金、难熔金属等尖端材料方面，取得了显著成绩。同时，首先在国内建立或采用了真空冶炼，等离子喷涂和焊接，高压电子束焊接等许多新技术。60年代初，他受国家科委委托,主持全国高温物性测试工作,在金属所建立了高温物性测试基地。针对我国镍铬资源十分紧张的情况，李薰组织科研人员开展了节约镍铬的新钢种发展工作，其中铬锰氮不锈钢在尿素工业中享有很好的声誉，1964年获国家工业新产品二等奖。从1959年开始，金属所又对铁锰铝合金系进行了较系统的开拓性研究，对发展低温、无磁和耐热钢起了指导作用，为此获国家自然科学三等奖。

　　李薰一贯重视基础研究和应用研究中的基础性工作。在建所时，他就设立以葛庭燧为室主任的金属物理研究室，从事晶体缺陷与力学性能的研究。到60年代初，金属所又成立了以郭可信为室主任的合金结构研究室。李薰还号召高级研究人员一定要有自己的基础性研究工作，他本人就率先攻坚，选了难熔金属的难题，把氧化作为研究对象。

　　李薰重视智力开发，培养科技人员。建所初期，国家分配给金属所的一批大学生，他们缺乏钢铁工业的知识，李薰便确定边建设、边工作、边培养、边学习的建所方针。一方面组织高级研究人员为他们讲课，另一方面把他们组成工作组，派赴钢厂，在生产实践中锻炼。金属所还经常举办讲座，邀请许多国内著名学者来所进行系统讲课。李薰和其他同志一样，参加听讲并一同考试，考分全部公布于众，李薰获得的考分总是名列前茅。

　　李薰多次参加制订国家科学技术发展规划工作。1956年，在国家编制自然科学十二年长远发展规划时，他负责的是冶金科学技术部分。1962年，他又参加制订国家冶金学科方面的规划。

　　60年代初期，金属物理是当时提倡的重要领域。但在政治支配学术的形势下，人们对位错理论顾虑甚多，裹足不前，李薰主张“要批判它，就得先弄懂它”。他推动并参加1960年在长春召开的全国位错和电子论两个学习班，尔后又在沈阳召开了全国金属物理报告会。通过这些活动，使中国金属物理界的科学工作者对位错理论有了较深的了解,从而作出自己的判断。

　　李薰是中国金属学会最早的发起人之一，历任各届副理事长。他从1956年《金属学报》创刊之日起，一直担任该学报主编。他是《中国科学》和《科学通报》的编委，也是科学出版社出版的《材料科学丛书》的主编。他为大百科全书撰写的冶金学和金属学条目，是他的富有学术价值的遗著。

　　1978年7月,中科院沈阳分院成立后,李薰任分院院长。他作为著名的老科学家和学部委员，声望高，号召力强，但他从不依仗这些开展工作，而是讲究实际，注重实效。他对我国现行科技体制存在的很多弊端，多次提出批评和改革意见。1980年4月，他在沈阳分院科技干部教育工作会议上，对加强人才培养的问题，反复强调要打破平均主义，破除论资排辈，提倡老科学家欢迎后来居上，为年轻有为的同志“搭梯子”、“当垫脚石”。他还在不同场合多次提出要搞好人才流动，积极主张搞活科研队伍，打破死水一潭的局面。他对有真才实学的科技人员大胆放手使用, 把他们提拔到一定领导岗位上，发挥其应有的作用。他认真贯彻党的科学技术发展方针，积极促进科研为国民经济和国防建设服务。沈阳自动化所开展的人工智能和机器人技术研究，一度认识不一致，难度较大。为了统一认识，排除干扰，1981年11月，在李薰主持下召开了智能机器人在海洋中的应用课题审议会。李薰对开发这门学科的必要性、现实性和应用前景提出了肯定性的意见，使这项研究被确定为中科院的重点课题。

　　1981年5月，李薰被选任中科院副院长和技术科学部主任。

　　1983年3月，李薰肺病初愈，为了考察攀枝花钢铁公司、长城钢厂及武钢等冶金企业，在行经昆明途中，于当月20日逝世，终年70岁。

　　李薰的主要著述有科学论文近30篇。早期发表的《冷加工对钢性能的影响》等系列论文前后共8篇，有关氢在钢中作用和发裂方向的论文8篇，1965年有关钼的氧化的研究论文2篇，此外，在《科学通报》上曾刊载文章2篇。