1964年初，欧阳自远接受国防科委的委托，率领“219”小组参与地下核试验包括后来的原子弹试爆选址。他率领“219”小组进行地质详查和填图，获得了大量的第一手资料，并开展了地下核试验流程与图像的一系列模拟实验和技术难关的研究。在此基础上，通过科学的分析论证，选定了试验区，系统提交了地下核试验场区的各类研究报告。经过反复试验攻关，解决了最让人头痛的石灰溶解问题。

欧阳自远还参加了高空核爆炸、触地核爆炸的相关工作。

1976年吉林陨石雨事件，以欧阳自远教授为首的全国性联合科学考察组，对吉林陨石进行深入而系统的综合研究，研究内容涉及岩石学、矿物学、化学组成、有机质、年代学、同位素、热、宇宙线辐射、天体力学、碰撞演化史等方面，并先后与美国、德国、瑞士和日本等国密切合作，发表了一系列具有国际先进水平的论文（有关吉林陨石论文百余篇）。

经过多年的探索，欧阳自远院士在国际上首次提出了吉林陨石多阶段宇宙线暴露模式和吉林陨石形成演化模式，在陨石学研究领域成为一个经典模式，并被各国科学家广泛引用。

在陨石系统研究的基础上，先后开展了高空（33—38公里）、海底和地层中的宇宙尘，以及月球岩石等地外物质的研究，进而结合太阳系各行星的探测成果，进行比较行星学的理论研究和实验模拟。

随着全球变化研究的深入进行，又开展了地球历史中地外物体撞击诱发气候和环境灾变与生物灭绝过程的研究，并从地球原始不均一性的形成与演化探讨全球构造演化与成矿控制。 

欧阳自远对1978年美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时赠送的月球岩石样品进行研究，共发表了40篇相关文章，最终确认这块石头是‘阿波罗17号’采集的，并确认了采集地点，甚至还确认了石头所在的地区是否有阳光照射等等。

2004年1月24日，国家正式批准了“嫦娥一号”计划的实施方案，欧阳自远参与并指导中国月球探测的近期目标与长远规划的制订，具体设计国内首次月球探测的科学目标与载荷配置和第二、三期月球探测的方案与科学目标。欧阳自远承担了“嫦娥工程”首席科学家的重任。

1978年，“我国地下核试验地质效应综合研究”获国家科学大会奖、贵州省科学大会奖。

1986年“吉林陨石综合研究”获中科院科学技术进步一等奖，1988年获国家自然科学三等奖。

1991年《天体化学》获中国科学院自然科学一等奖。

欧阳自远著，核转变能与地球物质的演化.科学出版社，1974

欧阳自远,王道德主编.月质学研究进展.科学出版社，1977.1－312

欧阳自远. 天体化学. 科学出版社，1989. 1－386

欧阳自远，章振根主编. 八十年代地质地球化学进展.科学技术出版社重庆分社，1990，1－447

欧阳自远主编，中国矿物学岩石学地球化学研究新进展, 兰州大学出版社出版，1994，1－446

欧阳自远,行星地球的形成与演化，地质地球化学，1995，（5），1-105

欧阳自远，倪集众，项仁杰，地球化学：历史、现状和发展趋势,北京：原子能出版社,1996,1-274

欧阳自远等著，小天体撞击与古环境灾变，湖北科学技术出版社，武汉，1997，1-170

欧阳自远等著，我们只有一个地球，河南人民出版社，1998，1-301

欧阳自远主编，世纪之交矿物学岩石学地球化学的回顾与展望，北京：原子能出版社，1998,1-413

欧阳自远等著，《月球探秘》，海燕出版社，200

欧阳自远，王世杰等编著，2001，《地球化学——地球的化学过程与物质循环》，济南，山东教育出版社

欧阳自远等著 《月球——人类走向太空的前哨站》，清华大学科学技术出版社，2002

欧阳自远编著，《永远的月球梦》，贵州科技出版社，2004，1-284

欧阳自远等著 《月球科学概论》，宇航出版社，2005