1950年7月，刚从浙江大学化工系毕业的徐元森被分配到中国科学院工学实验馆（现中国科学院上海微系统与信息技术研究所）工作。新中国诞生，国民经济建设正如火如荼地展开，各类科技问题层出不穷。怀着对祖国未来的美好憧憬，徐元森急切地投入共和国的伟大建设热潮，决心与新生的共和国同呼吸、共命运。

工学实验馆在成立之初，就非常明确地突出了科研工作要“为民服务”，满足国家之“迫切需要”，确立了以冶金、陶瓷和玻璃三大领域为主的科研方向。在此之后的十年中，科研工作薪火相传，围绕钢铁、有色金属等领域，开展了与国家第一个五年计划重点建设项目紧密相关的研究开发工作。徐元森充分发挥了在冶金学和物理化学方面的特长，为工学实验馆最初的发展作出了重要贡献。

50年代初期，徐元森参与了球墨铸铁的理论及其应用研究课题，经过近百次的试验，终于找到了合适的添加剂和方法，掌握了球墨铸铁的生产工艺，在全国率先研制成功。研究成果在全国范围内得到大力推广，推动了新中国正在全面展开的工业建设进程。又在周仁、邹元燨等科技前辈的带领下，按照国家计委和中国科学院的要求，即技术科学要“密切结合中国现有冶金工业生产与新冶金工业中心的建立开展研究工作”，积极参与了包头铁矿高炉冶炼和综合利用的科研任务。在对包头铁矿进行冶炼试验的同时，开展了一系列物理化学研究，为包头铁矿的高炉设计和后来的高炉冶炼理论分析提供了依据。随后，徐元森参与了攀枝花钛磁铁的高炉冶炼和相关问题的研究，系统地研究了钛磁铁矿的还原速率、高钛渣的物理化学性质和矿物组成、硅和钒在熔渣和铁液之间的反应等，从化学冶金的角度弄清了钛渣变稠、炉缸堵塞和高炉冶炼难行的机理，在国际上首先实现了炉缸喷吹技术，为攀钢的建设发挥了重要作用。

作为科研团队的骨干，年轻的徐元森出色地完成了国家重大科研任务，解决了炼铁史上含钛和含氟铁矿冶炼的两大难题，撰写了多篇在全国有重大影响的学术论文，丰富了炼铁学和冶金过程物理化学的理论，参与的项目三次荣获国家奖项。