1.建立“嵩阳运动”和确立“汉南地块”

在前寒武纪研究方面取得了一系列的重要科研成果，最突出的是建立了“嵩阳运动”和确立“汉南地块”，对研究秦岭构造带起到了重大作用。“汉南地块”被前人误定为中生代花岗岩基，他经艰难细致的野外实地考察确认此岩基实际上是前震旦纪地块，纠正了前人的谬误，为研究陕南地质构造指出了正确方向。他在嵩山建立的“嵩阳运动”，指太古代后期的一次褶皱运动，距今25-23亿年，是太古代和元古代的分界，具有重要大地构造学意义，至今为地学界所沿用，并被纳入《地质辞典》（一）。

长期以来，地质界一直对中条山前寒武纪地质问题争论不休。20世纪50年代末，张伯声受山西省地质界的邀请，奔赴中条山。他通过一年多细致认真的野外地质调查和缜密的分析研究工作，完成了“中条山的前寒武系及其大地构造发展”的研究成果，有说服力地指明了争论各方的症结，较圆满地结束了中条山前寒武纪地质上这场旷日持久的争议，使人们对中条山前寒武纪构造发展的认识深化了一大步。

2.发现秦岭太白第四纪冰川和黄河演化与黄土成因的“黄土线”

在第四纪地质和新构造研究方面，也取得了许多重要成果。二十世纪60年代初，受地质部李四光部长的委托，他到秦岭进行第四纪冰川调研，东从河南熊耳山经陕西华山、太白山西至甘肃麦积山，翻山越岭，在几十天里行程达1600千米。他在实地考察中，首次发现太白山第四纪末冰川的存在，以铁的事实驳斥了西方学者否认中国不存在第四纪冰川的谬论。

新中国成立前后，他曾三次考察黄河，提出黄河形成演化与相关黄土成因、“黄土线”、“黄土水积说”及婴年黄河形成发育等新观点，为国家治理黄河提供科学依据，亦为黄土及新构造等问题的地质科学研究，提供了新的思路和方法。

3.发现了河南巩县铝士矿床和平顶山大型煤矿田

抗日救亡时期，他带领学生在陕南首开产学研之风，对陕南多处矿产资源进行实地考察。他编写了凤县、城固等矿产勘查报告和地方志，首次把地质矿产内容写入地方志中，开了“地质矿产入志”的先河。尤其是他在地质勘查中发现和开发的安康和陕南沙金，给政府提供了充足的战时急需资源和经济支持，为抗日战争做出了重要贡献。

新中国建国初期，他应河南省人民政府之邀，在豫西进行两个多月的野外地质考察，跑遍了豫西的山山水水，凭着他精湛的专业知识和野外工作能力，发现了河南巩县铝士矿床和平顶山大型煤矿田。后来国家依此建成了郑州铝业公司（即现今中国铝业公司）和河南平顶山超大型煤田。巩县铝士矿床的发现，为中国炼铝冶金工业发展奠定了基础。河南平顶山煤矿田的发现和后来建成我国华北南部的超大型煤炭矿业基地，为解决国家“北煤南运”起了重要的战略作用。

4.根据地震周期性发生和波浪式迁移，研究预测了1976年陕西无强震的科学结论，科普宣传，安定民心，科研解决社会民生问题，广受赞誉

在地震地质研究方面的创新贡献。二十世纪70年代，中国大陆地壳活动加剧，地震频繁，特别是1976年7月河北唐山大地震和8月四川松潘大地震，均引起国内民众极大的恐慌。陕西民众西安大街小巷搭滿了防震棚。为了安抚民心，稳定社会秩序，张伯声先生日夜苦干，分析了大量的历史地震资料，研究发现陕西关中地区发生7~8级大地震的周期约为3000年，发生6级左右强震的周期是700年左右。因此，他根据强震周期性发生和波浪式迁移，提出陕西近期不会发生强震的看法。他坚信这一科研结论，并以身作则，不住防震棚，还作了多场地震科普知识报告，宣讲西安近期无强震的情况，为安定民心，保持社会稳定起到了重要作用。后来，陕西果然没有发生强震。该创新研究成果，也得到了地震地质界的广泛赞誉和广大民众的“美谈”。

5.创建“地壳波浪状镶嵌构造学说”列为中国五大构造地质学派之一

他对地球科学的最大贡献，就是创立了“地壳波浪状镶嵌构造学说”。这是他一生最主要的科学研究成果和学术贡献。这一学说创立后，被广泛地运用到地质、矿产、水资源、能源、石油和地震等多个领域，指导生产实践，取得了可喜的成果。因此，该理论被我国地学界公认为与李四光“地质力学”、黄汲清“多旋回构造说”、张文佑“断块构造说”、陈国达“地洼说”同为中国五大构造地质学派。并被纳入《地质辞典》（一）。