Þorvaldur las mikið af fræðiritum meðfram skólanámi. Mest áhrif á hann hafði hið gríðarmikla verk um heiminn, Kosmos eftir Alexander von Humboldt, en einnig bækur um þróunarkenningu Darwins og jarðfræði eftir Charles Lyell. Þorvaldur las ekki einungis endursagnir annarra af náttúrufræðum heldur las hann á þessum árum fræðirit eftir öndvegishöfunda fræðanna meðal annars þá menn sem hvað mestu hafa áorkað um að gera náttúrufræðin að höfuðgreinum. Þó Þorvaldur kæmi út úr Lærða skólanum með slaka einkunn þá kom hann þaðan mjög vel undirbúinn undir það nám sem hann tók sér fyrir hendur í háskóla, miklu betur en skólinn stuðlaði að. Þetta sáu samtíðarmenn hans alls ekki og hnýttu í hann á þeim forsendum að hann hefði verið slakur námsmaður í skóla. Þorvaldur sigldi til náms í náttúrufræðum við Kaupmannahafnarháskóla 1875 og var við skólann til 1880. Honum gekk námið mjög vel. Hann lauk þó ekki prófi frá skólanum. Hugur hans stóð til þess, en hann hætti námi til þess að tryggja sér starf heima á Íslandi. Kennarar hans við háskólann voru margir, en mest sótti hann til Steenstrups (1813-1897) í dýrafræði og Johnstrups (1818-1894) í jarðfræði. Þorvaldur var alla tíð gífurlegur dugnaðarmaður og virðist aldrei hafa verið verklaus. Á skólaárunum var hann strax farinn að rita fræðilegar greinar í tímarit. Einnig hélt hann fyrirlestra um Ísland og vann fyrir prófessora ýmis störf, svo sem að rita upp ýmislegt sem hann hafði á reiðum höndum um Ísland og íslenska jarðfræði fyrir fyrirlestrahald þeirra. En merkilegasta starf hans í þessu sambandi var án efa Íslandsför hans árið 1876 með Johnstrup til þess að rannsaka ummerki eldsumbrotanna í Dyngjufjöllum árið 1875. Það varð hans fyrsti en ekki síðasti rannsóknarleiðangur. Þorvaldur varð kennari í nýstofnuðum Möðruvallaskóla árið 1880 og var þar til 1884. Hann var kennari við Lærða skólann frá 1885 til 1895. Árin 1884-1885 var hann á ferðalagi erlendis til náms og gagnasöfnunar og hann var aftur erlendis 1892-1893, þá orðinn vel þekktur fræðimaður. Árið 1895 flutti Þorvaldur alfarinn til Kaupmannahafnar og sat þar við fræðastörf og skriftir það sem eftir var ævinnar. Þorvaldur notaði sumrin á milli kennslumissera til rannsókna og fór í kerfisbundna leiðangra um landið allt á árunum 1882-1898. Úr þessum rannsóknum kom aragrúi ritgerða og bóka sem lýstu og útskýrðu landið og náttúrur þess. Segja má að landið hafi verið óþekkt jarðfræðilega þegar hann byrjaði, aðeins til fáeinar greinargerðir á víð og dreif eftir hina og þessa, mest útlendinga og mest ómenntaða menn á sviði jarðfræði. Þegar hann lauk sínum skrifum var til heildarmynd svo glögg og yfirgripsmikil að enginn jarðfræðingur sem unnið hefur á Íslandi hefur komist hjá því að fara í fótspor hans og byggja á þeirri frumþekkingu sem hann dró saman. Hann var ekki sérfræðingur með þröngt áhugasvið heldur víðsýnn fræðimaður og landkönnuður sem las alla þá náttúru sem fyrir augun bar og gerði grein fyrir henni.
Ritstörf Þorvaldar voru með eindæmum mikil og margbreytileg, allt frá stuttum athugasemdum upp í fjögurra binda stórvirki. Landfræðisagan kom í fjórum bindum á árunum 1892-1904 og er nú nýlega endurútgefin (2003-2009), þýsk útgáfa af sama verki kom út í tveimur bindum 1897-1898, Landskjálftar á Íslandi í tveimur hlutum 1899 og 1905, endurbætt 2. útgáfa af Lýsingu Íslands kom út árið 1900, jarðfræðikort af Íslandi í kvarðanum 1:600.000 frá árinu 1901, Island, Grundriss der Geographie und Geologie ásamt nýrri útgáfu af jarðfræðikortinu í kvarðanum 1:750.000 kom út 1906, og stórlega endurbætt Lýsing Íslands í tveimur bindum árin 1908 og 1911 og tvö viðbótarbindi um landbúnað á Íslandi á árunum 1917-1922. Ferðabókin kom út í fjórum bindum árin 1913-1915 og aftur 1958-1960, Árferði á Íslandi 1915-16 og þriðja útgáfan af stuttu Íslandslýsingunni árið 1919 og fleira mætti telja. Á árunum 1909-1912 ritaði hann einnig hið mikla verk sitt um íslensk eldfjöll, Geschichte der Isländischen Vulkane, sem þó kom ekki út fyrr en að honum látnum. Auk þessara bókverka komu á þessum árum ótal greinar, stuttar og langar, í ýmsum blöðum og tímaritum, íslenskum og erlendum, alþýðlegum og hávísindalegum, um ýmis efni, langflest náttúrufræðileg. Ísland er ólíkt öðrum löndum og því var Þorvaldur að fást við annað en fræðimenn á sama sviði erlendis. Fyrir vikið er afar margt í skrifum hans sem ekki finnst annars staðar á prenti á þessum tímum. Hann varð enda heimsfrægur fyrir störf sín og mun frægari erlendis en samtímamenn hans hér heima gerðu sér grein fyrir. Dagblöð allt frá New York til Moskvu sögðu frá ferðum hans og uppgötvunum. Honum hlotnuðust líka ótal viðurkenningar erlendis fyrir framlag sitt. Þar á meðal eru viðurkenningar frá virtustu vísindafélögum og akademíum beggja vegna Atlantshafs. Ein þessara viðurkenninga er Daly-orðan frá ameríska landfræðifélaginu sem jafnað hefur verið til Nóbelsverðlauna, sem ekki eru veitt fyrir jarðvísindi. Hér heima var honum lítill sómi sýndur. Myndir:
- Mynd af Þorvaldi: Veðurstofa Íslands. Myndin er upprunulega úr: Bogi Th. Melsted: Þorvaldur Thoroddsen: um ævi hans og störf. Kaupmannahöfn, 1923. Sótt 21. 2. 2011.
- Mynd af jarðfræðikorti: Veðurstofa Íslands. Sótt 21. 2. 2011.