Študoval hlavne paleozoickú flóru v rôznych oblastaiach (devón, karbón, perm- najmä v Čechách a na Morave),ale aj flóru mezozoika a terciéru na Slovensku a v Rakúsku.
Z prác týkajúcich sa Slovenska sú najvýznamnejšie Geologische Ubersichtaufnahme des Wasergebietes der Waag und Neutra (1860), Bericht uber die geologische Aufnahme der Umgebungen von Schmollnitz und Gollnitz(1869),Bericht uber die geologische Aufnahme im oberen Waag und Granthale.(1868). Jeho stratigrafia, opierajúca sa o bohaté nálezy fauny a flóry, je prvou modernou stratigrafiou Západných Karpát Na základe stratigrafického rozboru vymedzil v Západných Karpatoch hlavné pásma a správne stratigarficky začlenil vulkanické horniny v spojitosti so sedimentami.
D. Štúr žil vo Viedni a jeho vedecké práce sú písané v nemčine, niektoré však aj v slovenčine, napr. Geologicko-geografická osnova polohopisu Slovenska, Z cesty chorvátsko-slovensko-dalmatínskej (1863)a i. Nikdy však nezabudol na svoju príslušnosť k slovenskému národu a vždy zostal verným vlastencom. Pri svojich výskumoch na Slovensku spolupracoval s viacerými slovenskými prírodovedcami, napr. G.K.Zechenterom-Laskomerským (1824-1908- slovenský lekár, spisovateľ), J.Ľ. Holubym (1836-1923ô slovenský botanik, národopisec) a i. Na počesť D. Štúra Bol Slovenský geografický ústav premenovaný na Geografický ústav Dioníza Štúra.