由于综合性基础科学的重要性与日俱增，在竺可桢的组织下，一些新的研究所经过调整不断形成。例如，在中央研究院地质研究所土壤研究室的基础上，新建立了土壤研究所；在地理研究所测量室的基础上建立起武汉测量与地球物理研究所；在原植物分类研究所的基础上，增加了植物生态、植物形态与细胞学、古植物学、植物化学等研究领域，成立了综合性的植物研究所；在菌种保藏委员会和黄海化学工业研究社微生物发酵研究室的基础上，吸收了北京农业大学的有关部分，建立了微生物研究所等等。位于兰州的冰川冻土研究所和沙漠研究所更是在竺可桢的亲自过问下建立起来的。此外，有的研究机构是在竺可桢学术思想指导下建立的。竺可桢素来重视并直接参加自然科学史的研究。他认为，历史上的科学资料不但可以为经济建设服务，而且还可以帮助基础科学的理论研究。有鉴于此，在竺可桢的提倡和组织下，由第三历史研究所（即近代史研究所）和地球物理研究所研究人员，从5600多种地方志，2300多种诗集里，收集到从公元12世纪到1955年我国有记载的地震近万次，再加上1900年以后国内外地震仪器实测所得记录，汇编成《中国地震资料年表》和《中国地震目录》，作为地震学研究的参考。在此基础上又编制出地震烈度区划，直接为国民经济建设服务。为了开展中国古代科学史研究，在他倡导下，中国科学院先成立了包括由北京大学、清华大学教授和各部门负责同志参加的中国科学院自然科学史研究委员会，经常开展学术讨论活动。在此基础上，于1957年正式成立自然科学史研究室，对于推动中国科技史的研究有着重大作用。
从1956年到1966年，这是中国科学院的大发展时期。1956年1月，中共中央召开关于知识分子问题会议，决定加强对科学事业的领导。同年5月，张劲夫、裴丽生、杜润生、谢鑫鹤等一批领导同志受中央政治局的指派来中国科学院工作，中国科学院的历史掀开了新的一页。由于领导力量得到加强，这10年中，竺可桢的精力主要放在推动和组织自然资源综合考察工作方面，他的足迹几乎遍及除西藏和台湾两个省区以外的许多地方。
1957年是我国进一步开展自然资源综合考察的一年。这一年按照苏联科学院的建议全面开展中苏合作，除继续进行新疆和黑龙江流域的综合考察以外，同时组队进行综合考察的还有：以考察云南热带生物资源为主的云南生物考察队；以盐湖的综合调查和开发利用为主要任务的柴达木盆地盐湖科学调查队等。在开展综合考察过程中，从实践中提出一些问题，急待明确。主要是中国科学院组织的综合考察工作究竟是什么性质，与有关各业务部门的关系如何？要不要建立起类似苏联科学院的生产力配置委员会？竺可桢认为，自然资源综合考察是了解自然的一种科学工作，它要组织起包括社会科学在内的多学科，从多方面进行比较论证，提出多种方案，供计划部门充分利用自然资源，产生经济效益作为决策根据。他一再强调，综合考察工作首先是认识自然，然后才有可能利用自然；而这项工作必须将自然界作为一个整体，通过综合研究才有可能取得科学的结果。考虑到当时综合考察工作的科学力量分散在各个部门，竺可桢建议中国科学院有必要正式成立综合考察委员会，对内专门领导和协调各个考察队和学科的工作，对外与各部门在综合考察、资料汇总并综合研究方面进行充分合作。他认为，根据中国的国情，进行综合考察的科学力量分散在包括科学院在内的各个部门，我国不必成立生产力配置委员会。1957年6月18日举行的第三次院务常务会议，听取并审议了竺可桢关于加强综合考察工作的建议，正式批准成立中国科学院综合考察委员会，任命竺可桢兼任这个委员会的主任。
综合考察委员会的建立，标志着我国自然资源综合考察工作进入了一个新的阶段，竺可桢作为这项崭新事业的奠基人载入史册。三十几年来，综合考察委员会虽然在名称、建制和机构内涵上有所变化和发展，但是我国自然资源的综合考察工作始终沿着竺可桢奠基时指明的研究方向前进。
从1957年起，竺可桢以更多时间，亲自参加边远地区的野外考察，以取得第一手资料，更好地指导自然资源的综合考察工作。
早在1954年，中国科学院与林业部曾合作进行过华南热带作物资源考察，以发展橡胶林为主要任务。竺可桢为此也做了不少工作。1957年2月19日到3月9日，竺可桢会同中国科学院和林业、农业部门的有关专家罗宗洛、吴征镒、李庆逵等，与苏联科学院的七位学者一共40余人，共同考察了海南岛和雷州半岛的橡胶和其他热带经济作物的发展状况，在海南岛16个县市中，足迹遍及了12个。
竺可桢认为，海南岛地处热带，有着极其宝贵的热带气候资源，主要是高温多雨，必须予以充分利用。要开发这个地区，就必须适应并保持原有自然状态的生态环境，使之促进国民经济发展。在经济发展过程中，即便要调整生物地理群落的结构，必须建立在了解群落演变客观规律的基础上。他指出，在海南岛和雷州半岛，焚毁森林，挖掘草皮的现象屡见不鲜，这只能使天然森林演变成石田沙荒，最终破坏了热带生物资源，不利于生产的发展。他强调指出，要改造自然，必须首先了解自然，要改造橡胶的习性，必须首先了解橡胶的习性，在海南岛应当加强热带作物的科学研究，特别是定点观测实验。在没有了解并掌握橡胶生活习性以前，就大举进行橡胶北移是会招致失败的。针对雷琼地区严重缺乏具有一定水平的科技人员这一事实，竺可桢随后于3月11日在广州召开的华南热带资源开发科学讨论会上，建议在海南岛就地设置热带作物研究机构。一年后，他接到设在广州的农垦部华南热带作物研究所所长何康的来信，说他的建议已被采纳。
1957年7月。竺可桢又率领中国科学家16人，会同苏联科学院生产力配置委员会主席涅姆钦诺夫院士为首的苏联专家22人，用一个月的时间，沿黑龙江而上，对两岸中苏两国境内11个城市进行实地考察，提出了黑龙江水力资源开发的第一期工程建议。
1958年8月下旬，竺可桢到兰州主持了甘青综合考察队的工作汇报会，听取了这个地区综合考察情况报告后，于9月初赶到了乌鲁木齐市，进行他生平第一次的新疆之行，逗留了近一个月，直到10月初才回到北京。这次在新疆，行程超过了四千公里，除阿勒泰外，足迹已遍及全疆。竺可桢沿途所经，或和中苏科学家直接进行野外考察、挖土壤剖面，测量湖水温度；或深入农舍访问，了解当地生产现状和发展潜力；或参观历史遗迹，推断当地自然条件变化和生产的兴衰，以古论今，对将来经济发展提出意见。他这次深入新疆腹地，主要以吉普车为交通工具，经常日行500余公里。他以地理学家敏锐的眼光，注意到在天山的赛里木湖，四周山上未见积雪，以后他查考到南宋时代邱处机曾于10月经过赛里木湖时，周围“雪峰环之，倒影湖中”。从而推断中国十二、三世纪时，天山的雪线大致比现代要低200—300米。他了解到维语克拉玛依是黑油的意思，不仅实地考察了油田里的黑油山，而且在南疆也十分注意石油的蕴藏和当地人民采油的经验。他将沿途所见所闻，择要记入自己日记，共计三万余字。回到北京以后，以《新疆记行》为题，发表文章，热情宣传新疆有利的自然条件和发展潜力，讴歌新疆各族人民团结一致齐心协力建设社会主义的生动情景。
1959年，竺可桢又几次进出我国西部几个沙漠地区，实地指导了几个沙漠定位试验站的工作。在他直接领导和组织下，以中国科学院治沙队为主体的治沙大军，浩浩荡荡地开进了我国西北部地区的大沙漠。除了在内蒙古的磴口、宁夏的沙坡头、甘肃的民勤、陕西的榆林等六处建立了综合试验站以外，还深入到塔克拉玛干、巴丹吉林、毛乌苏沙漠、河西走廊西部戈壁地区进行实地考察，揭开了中国人民大规模科学治理沙漠的新纪元。
我国水土资源在空间上分布不均匀，按当时的统计，长江流域及其以南地区的径流量占全国82%，而耕地仅占38%；黄淮海三大流域的径流量仅占全国的6.6%，而耕地却占全国的40%，每亩耕地平均占有的水量只有全国的16%；以西北、华北而言，耕地占全国的51%，而径流量仅占全国的7%，这种南方水多而耕地少，北方水少而耕地多的局面必须改变。竺可桢在组织南水北调综合考察过程中，希望能选择一条合理的路线，在适当地段引长江水注入黄河，以丰富黄河水源，满足北方地区农业生产的需要。他曾于1960、1961年两次到四川西部甘孜阿坝地区及云南境内，深入长江各支流的上游，实地了解当地自然条件、农牧业生产概貌以及人民生活状况。通过考察，初步认为从长江支流雅砻江引水，穿过巴颜喀拉山口注入黄河是比较合宜的路线。二十几年过去了，关于南水北调工程的论证仍在东西两边深入进行。由中国科学院兰州冰川冻土研究所派出的又一支考察队，于1988年5月17日从兰州出发前往雅砻江上游进一步考察并踏勘引水路线。按他们计算，如果按竺可桢原来设想引水，引水工程全长约200多公里，工程完成以后，可使黄河上游的水量增加180亿立方米左右。
竺可桢以70岁高龄身先士卒，在野外考察中，谢绝对他的各种照顾，甚至置个人安危于度外。为了取得直接的认识和第一手资料，他都要亲自观察各种自然现象。在黑龙江流域考察原始森林时，他拨开丛生的杂草，不怕蚊蝇叮咬；在黄河中游地区了解黄土高原的侵蚀情况时，在浊流中乘坐小船顺流而下，曾几次因船只搁浅漏水而遇险；在川西高原勘察南水北调引水路线时，时而攀登4000米以上高山，时而又降到河流谷底，面临着随时有可能发生洪水、泥石流、山崩、滑坡的风险；在新疆，越野汽车曾几次在戈壁滩上受阻，有时就在汽车内宿夜。他这样不畏艰险、勇于探索的精神，成为一代代科学考察工作者的榜样。
竺可桢在各处参加考察时，对于乱伐森林、开垦种植的情景极为注意，深感生态环境被破坏的严重性。在黑龙江考察时，他从苏联海参葳沿江而上进入我国黑龙江省，经绥芬河回到佳木斯，他发现在苏联境内森林茂密，但进入我国境内森林则荡然无存，尽是童山濯濯。在同样自然环境下，地表覆盖形成极大反差。在西双版纳，当地刀耕火种现象十分普遍，白天烟雾弥漫，夜间火光熊熊，令人触目惊心。这里由于大面积开垦，同样造成水土流失严重。在海南岛的一些地区，由于滥砍乱伐，当时除了椰子和胶树外，看不到比碗口更粗的树木，远处山岳呈灰黄色，颇像华北干旱地区的荒山。而公路两旁的农作物，又是疏疏落落，大片平坦的沙漠地上长满了矮小的荆棘。在新疆、宁夏，他曾遇到不少来自浙江省绍兴一带的移民青年，虽然乡音亲切，却引起他严重不安。一个专区来了数千名外地青年，大面积垦荒，除了加速破坏草地以外，在年青人的心灵上免不了打下大漠风沙猖獗的烙印。在河西走廊，他亲眼看到植被破坏的情景。兰新铁路上的红柳园本以长满红柳而著名，但是1965年夏天他在那里见到红柳被大量砍伐，每年要割一千多万斤。他在行程中亲眼看到，每半小时就有7辆卡车，满载红柳扬长而去。红柳是固沙植物，割去红柳，风沙立即飞扬，并不断进袭农田和村舍，连世界艺术宝库敦煌千佛洞也濒危流沙的包围之中。竺可桢曾在各种场合不断呼吁，希望各级政府要重视生态环境，切忌滥垦滥伐，防止水土流失和风沙加剧。他曾明确地指出，在年雨量不足350毫米的干旱地带，超过35°坡度的山坡上以及河流的上游地区应该绝对禁止垦荒。但是在那任意夸大“人的因素第一”的时代，如同马寅初提出要节制人口却遭到批判一样，他的建议也不可能得到重视。
自然资源综合考察工作是在我国开展大规模经济建设过程中兴起的，是我国科学事业中的新兴部分，不仅需要在理论上和科学实践中不断进行总结，还应该在工作中注意培养青年人，建立一支具有中国特色的自然资源研究队伍。在竺可桢倡导下，当时综合考察在进行过程中（如治沙队）或阶段结束（如黑龙江队）都要举行不同规模的学术讨论会，及时出版学术著作。新疆综合考察队考察工作结束时，发动全体队员，全面整理各项资料，编写出十几种专著，形成了《新疆综合考察丛书》，竺可桢亲自为丛书写了序言。在当时，各考察队大都实行一年三分之一时间在野外实地考察，三分之一时间对考察所得资料进行科学总结，另有三分之一时间用于科研人员的理论研究。竺可桢常是直接指导他们的工作和学习，亲自参加他们的论文答辩会。由于方向明确、措施得力，长期从事野外考察工作的年青科技人员迅速成长起来，科学素质不断提高。像第一批竺可桢野外科学工作奖获得者、曾任中国科学院副院长的孙鸿烈院士就是其中一位佼佼者。
1958年开始的“大跃进”，提倡破除迷信，敢想、敢干，竺可桢也不失时机地提出了“吹起号角来向沙漠进军”，号召广大“地理工作者应该是向地球进军的先锋”，还提出“让海洋更好地为社会主义建设服务”，等等。与当时主流风气不同的是，他不是搞浮夸，在“敢”字当头后面的是实干。竺可桢提出一系列目标明确的研究任务，也提出了切实可行的工作方针和措施，有力地带动若干学科的发展，填补了空白，为我国科学研究事业的全面繁荣打下了基础。