1954年，为了满足当时的迫切需要，刘东生和当时的地质学一起开始了转型，他参加了三门峡水库及金、铜、镍矿的勘探工作。第一次参加对黄土高原的研究考察，是在河南省会兴镇——今天的三门峡市。就在这次考察中，时年37岁的刘东生认识了他后半辈子的两件珍宝—— 一是黄土，一是他的夫人胡长康。 　　晚上散步时，刘东生发现了一排排水平而整齐的灯光，对于一个黄土高坡上的小镇来说，应该不可能是楼房，但这样整齐的建筑又会是什么呢?刘东生一夜辗转难眠，第二天找过去才知道，一排排灯光是从当地老乡住的窑洞里发出来的。这里的窑洞跟城市里的楼房一样，在同一个位置有好几层，所不同的是，这些窑洞的房顶都是一片红色的土和下层一片被老乡称之为“料姜石”的石灰质结核层，科学名称为“土壤层的淀积层”，老乡们就利用淀积层的坚固性来做了窑洞的天花板。淀积层水平延伸得很长，而且一层层和黄土、红色的土相间隔，三层窑洞都同样是以料姜石做天花板，黄土做墙，红色的土做地。 　　刘东生回到驻地后跑去请教土壤学家朱显谟，朱显谟告诉他，以前被杨钟健称为“红色土”的沉积物可能有地质时期的土壤残留。随后，他们俩一起对“红色土”中的“红色条带”进行研究，证实了它们确实就是古土壤层，而整个“红色土”层就是含有古土壤的黄土沉积。这一重大发现，一方面将黄土沉积的时代，从过去的晚更新世(约10万年)延伸到整个第四纪(200多万年)。另一方面，在黄土剖面中区分出两类颜色和结构都差别很大的地层单元—— 一类为黄土层，通常呈灰黄色，质地较均一，无明显结构;另一类为古土壤层，呈红色，有明显的土壤结构和土壤发生层次。进一步的深入研究后，刘东生认识到黄土堆积时期代表了寒冷干旱的气候环境，而古土壤发育时期则代表了暖湿的气候特点，黄土与古土壤的交替代表了第四纪时期气候的大规模波动，黄土剖面由许多黄土与古土壤交替而成，说明气候冷暖干湿的交替远不止4次。1958年刘东生发表在Science Record(《科学记录》)上的论文，引起国际科学家的关注。 　　刘东生说：“设想一下，如果类似现在沙尘暴的风沙天气会带来0.01毫米厚的尘土，每年10次便能积0.1毫米，10年1毫米，100年1厘米，1000年10厘米，1万年1米，到现在，黄土高原上最厚的地方已经深达250米，换一种说法也就是说，我们现在所见的黄土高原已经存在了250万年，从地质上讲，我国的干旱史也有250万年了。” 　　刘东生通过系统的研究，重建了250万年以来全球环境变化的历史，成为迄今全球唯一完整的陆地沉积记录。这个成果1985年发表在《黄土与环境》中英文专著上，后应德国科学家的要求又进行了修订，以《中国黄土》为题在欧洲重新出版。 　　对这项工作，国际上的有关科学家表示钦佩与惊讶。华盛顿大学教授Busacca在一篇书评中写道：“曾多少次，地质学家以及那些努力探索第四纪历史的学者们渴望着一个在完整性、时间跨度和详细程度上可以与深海岩心相媲美的陆相岩石记录。我们可以多年地苦苦奋斗去识别、去对比、去定年，可那总共才占第四纪时期一小部分的四五个冰碛垄。我们怎能想到刘东生等对中国200米厚、含30多层古土壤以及无脊椎、脊椎动物和早期人类化石的风成沉积的研究竟然建立了整个第四纪时期的丰富记录!” 　　黄土对刘东生这样的地学研究者意味着什么呢?“就好像一架钢琴对一位音乐家。还是这架钢琴，还是‘1234567’七个音符，可以奏出《英雄交响乐》，也可以奏出《黄河大合唱》、《黄河颂》来;就好像红黄蓝三原色对于一位画家，在不同的画家手里，可以画出来《蒙娜丽莎》这样不朽的杰作，也可以画出很多其他东西。”刘东生还强调说，艺术家追求的是情感，而科学家追求的是智慧。他想从黄土研究中找到黄土高原水土流失的答案，找到沙尘暴频频发生的答案，找到今天环境问题的解答。 　　从上世纪60年代起，刘东生把研究全球环境变化的视野，从黄土高原拓展到青藏高原，致力于青藏高原隆起与东亚环境演化的研究。他高瞻远瞩，把仅从地球固体岩石中寻找环境答案的做法，扩展到整个地球圈，开辟了地球科学的新的研究领域。20世纪90年代后，地球系统各圈层相互作用的研究，已经成为环境学术界的研究热点。 　　纵观20世纪全球环境变化科学，从该世纪上半叶的4次冰期学说，到60年代的多旋回理论，到80年代的全球变化研究，再到90年代的地球系统理论，刘东生在这3次大的理论突破中都作出了重要贡献：对多旋回理论，他是主要的奠基人;对全球变化理论，他是国际对比标准的建立者;对于地球系统理论，他开辟了一个新的领域，为地球系统科学研究提供了成功范例。 　　“科学和登山运动一样，为你所看不见的观众而劳动，因而需要责任感。正是这种责任感，使我们感觉到用自己的知识为人民去工作才是最大的幸福。”刘东生这样认定自己工作的价值。