À partir de 1767, il isola une dizaine de gaz nouveaux : oxyde et dioxyde de carbone, oxyde nitreux, gaz chlorhydrique, gaz sulfureux, ammoniac, etc. Il découvrit la respiration des végétaux (1771) et mit en évidence l'importance de la lumière dans la photosynthèse. Mais sa découverte la plus célèbre est celle de l'oxygène (1774), qu'il obtint en chauffant de l'oxyde de mercure. En électrostatique, il vérifia que l'électrisation des conducteurs est superficielle, et en conclut que la loi d'action entre charges électriques est la même que pour la gravitation.
