在地球空间信息学的理论创新、集成创新和协同创新方面取得了杰出成就，为我国成为世界本领域三强之一做出了重大贡献。80年代，主要从事测量误差理论与处理方法研究。首创从验后方差估计导出粗差定位的选权迭代法，被称为“李德仁方法”。提出包括误差可发现性和可区分性在内的基于两个多维备选假设的扩展的可靠性理论。该成果获1988年联邦德国摄影测量与遥感学会“汉莎航空测量奖”。提出地球空间信息科学的概念和理论体系。21世纪，提出广义和狭义空间信息网格的概念与理论。领导研制了吉奥之星GIS系列产品、方略视讯系列产品和立得3S移动测量系统等高科技产品。进入21世纪，李德仁教授提出广义和狭义空间信息网格的概念与理论、地球空间信息聚焦服务理论与方法、可量测实景影像与可量测虚拟现实等理论，并积极推动地球空间信息高新技术的产业化发展。

担任国家航天专家组成员，国家重大科技攻关项目“高分辨对地观测系统”专家组副组长，教育部第六届科技委委员兼战略研究委员会委员。曾获国家科学技术进步奖（创新团队）1项、国家科技进步二等奖4项、国家教学成果二等奖2项（均排名第一）。出版专著10 部，主编论文集8部；发表期刊论文470 篇，其中第一作者183 篇；发表会议论文270 篇，其中第一作者119 篇。