四年的大學生活，不僅培養了歐陽自遠必要的基礎知識和分析問題、處理問題的能力，還培養了歐陽自遠對地質學的興趣以及熱情的情操。在大學畢業後，歐陽自遠又考取了中國科學院地質研究所礦床學專業碩士研究生，師從於以學風嚴謹著稱的礦床地球化學家塗光熾教授。之後，歐陽自遠主要從事長江中下遊的銅、鐵等礦床物質的研究。
在這裏，歐陽自遠再一次發揚了刻苦學習、工作的精神。從1957年開始，歐陽自遠機械化地每天重複著自己的生活：每天準備一壺水、兩個白麵饃饃，背著兩隻大袋子，到那些凹凸不平的坑道中觀測礦脈，采集樣品。
那些坑道是地質采礦時留下的，當時有的還正在施工，有的甚至還要進行爆破，在那裏進行考察，歐陽自遠的生命時刻麵臨著危險，但是歐陽自遠卻始終沒當一回事，繼續自己的研究。為了弄到第一手的資料，往往都要通過攝像機去拍攝。當時的拍攝功能很差，沒有閃光照，所以隻能選擇用燈泡照明。
每次在進入坑道前，歐陽自遠都事先準備好三隻燈泡，拍攝一張照片就要炸掉一隻燈泡。所以歐陽自遠總是要反複選址，選中最佳位置才能保證每一個燈泡都會拍到有科研價值的照片。每次從坑道中爬出來後，歐陽自遠身上都是又濕又髒，但他卻毫不在乎，常常為了一些新發現而欣喜不已。每次回北京時，他身上總是攜帶大批量的資料，甚至拉回十幾箱子的石頭。
研究生畢業後，歐陽自遠在著名的地質學家侯德封的領導下，從事地質學的研究工作，當時侯德封對歐陽自遠十分重視，認為歐陽自遠治學態度嚴謹，派他到中國科技大學學習了一年的核物理，然後又到中科院進修了半年的加速室。侯院士和塗光熾教授的諄諄教誨影響了歐陽自遠的一生，使歐陽自遠對中國的國防與科技事業的發展擁有了極為敏銳和超前的意識。
1964年初，中國也在研製核武器，所以需要建設核武器場地。歐陽自遠在國防科委的委托下，為了打破核武器壟斷的局麵，他組建了一支龐大科研隊伍，這支隊伍人才齊全，都是國內頂尖的地質學者這支隊伍在歐陽自遠的帶領下，承擔了中國地下核試驗場和實驗前後地質綜合學的研究，確立了中國第一個地下核試驗場。隨後，歐陽自遠參與，並完成了第一次、第二次地下核試驗、高空核爆炸、觸地核爆炸等多方麵的研究，為祖國爭奪了榮譽，同時也為中國的核武器研究和國防科技水平的提升做出了不可磨滅的功績。
探月工程
1957年，蘇聯第一顆人造衛星順利升空，整個社會主義體係的國家十分興奮。同樣，中國也為此慶祝。這件事情讓歐陽自遠受到了極大的刺激，他敏銳地覺察到，人類將迎來“太空時代”，於是毅然放棄了手頭的工作，投入對天體的研究中。
1978年，美國國家安全事務顧問布熱津斯在訪問中國時，頗為玩味的送給中國國家領導人一件禮物，那是一個月球岩石樣品。中國當局對此極為重視，立刻將這塊岩石送到了中國天體研究工作者的領頭人歐陽自遠手中。
歐陽自遠後來回憶，他拿到岩石樣品時說道：“美國人曾經六次登上月球，這一塊岩石是美國人什麼時候登上月球采集的？是在月球的哪一處地麵采集的？對於這些，我們都一無所知。我小心地將半塊岩石留下來作為研究對象，將另外半塊送到了北京天文館，希望我們中國人民也能夠親眼見識到月球的一部分。為了研究這塊隻有0.5克的石頭，我們先後發表了40多篇相關的論文，最終得出這塊是‘阿波羅17號’采集的，並確定出，這塊樣品岩石的采集地點，以及采集地是否受到了陽光的照射等答案。”
在美國登上月球之後，很多國家紛紛製定並宣布出自己國家的探月工程計劃，歐陽自遠從1994年開始，也在極力勸說中國應該開始展開探月工程的項目計劃。在此之前，1992年前後，很多科學家已經提出了“嫦娥奔月”的想法。1997年，因為中國為了迎接香港的回歸和提升香港回歸的政治影響，中國一些學者提出，利用火箭運載往月球上發射一個象征中國的鐵質標誌的想法。但是，當時的中共中央考慮到此舉隻是政治舉動，對中國的科學研究沒有任何的實際價值，因此經過討論之後，這一提議被中央否決。