Comme Claude Bernard, Ollier considère que seule l'expérimentation peut fonder les principes de la médecine. Observant que l'os fracturé se consolide de lui-même, L.L. Ollier réalise des expériences sur des animaux qui le conduisent à affirmer le rôle du périoste, cette fine enveloppe entourant l'os, dans l'ossification.
Parmi ces expériences, réalisées vers 1860, citons :
Les résultats de ces travaux sont consignés dans le Traité expérimental et clinique de la régénération des os et de la production artificielle du tissu osseux (1867). Cet ouvrage lui vaut le grand prix de Chirurgie, la croix de Chevalier de la Légion d'honneur et une présentation à l'empereur Napoléon III.
Ollier profite de cette période de renouveau, qualifiée par Neidhardt de « trente glorieuses de la chirurgie » (1870-1900), avec l'antisepsie et les débuts de la radiographie, pour accomplir une œuvre majeure dans l'histoire de la chirurgie et soigner des milliers de malades.
Pour les fractures, il utilise de temps en temps l'ostéosynthèse per cutanée avec une sorte de poinçon ou vrille, des broches, et des fixateurs externes. Certaines radiographies de Destot, découvertes par le professeur Fischer, montrent des ostéosynthèses de 1870 à 1900.
Au cours de sa vie, Ollier a réalisé huit cent vingt-sept résections : à l'épaule, au coude, à la hanche ou tibio-tarsiennes.
Après la somme constituée par les trois volumes du Traité des résections, l'œuvre d'Ollier n'est pas terminée : il faut insister sur le rôle de créateur qu'il a eu sur les greffes osseuses et sur les greffes cutanées.
Défenseur et ami de Lister, il consacre de nombreux travaux à l'antisepsie. Il simplifie les instruments chirurgicaux de façon à en rendre la stérilisation plus aisée.
Dans les dernières années, à partir de février 1896, la collaboration avec Étienne Destot, brillant radiologue et anatomiste, lui permet de reconnaître une maladie qu'il décrit : la dyschondroplasie, que la postérité appelle Maladie d'Ollier.