להאטון היה אם כן שפע של רעיונות כיצד להסביר את תצורות הסלעים שראה סביבו. עם זאת, כפי שתיאר פליפייר, "הוא לא נחפז לפרסם את התאוריה שלו; מאחר שהיה מאלה הנהנים יותר מהתעמקות באמת, מאשר משבחים על גילויה". רעיונות תאורטיים אלה גובשו עוד ב-1760, ורק 25 שנים אחר-כך, הוקראה המסה שלו "תאוריה של הארץ; או חקירה של החוקים הניתנים לצפייה בהרכבה, התפרקות ובנייה מחדש של האדמה על פני הגלובוס" בשני חלקים, בפגישות של החברה המלכותית של אדינבורו. את החלק הראשון הקריא ידידו ג'וזף בלק ב-7 במרץ 1785, ואת החלק השני הקריא הוא עצמו ב-4 באפריל 1785. לאחר מכן הקריא האטון תקציר של עבודת המחקר שלו "בנוגע למערכת הארץ, משך חייה, ויציבותה" בפגישה של החברה ב-4 ביולי 1785, שאותו הדפיס והפיץ באורח פרטי. בעבודה פירט את התאוריה שלו כדלהלן:
רעיונותיו של האטון הדהימו את הקוראים ביחס לדעות ששררו באותה עת. עד פרסומם כבר נצבר ידע רב על סלעים, שכבות סלע ומאובנים, אבל עושר המידע הזה לא הפך לתאוריה כללית ומעשית של הגאולוגיה. משימה כזו סוכלה על ידי האמונה המקובלת כי כדור הארץ נוצר רק לפני כ-6,000 שנים, בהתאם לסיפורי הבריאה בספר בראשית, וכי סלעי המשקע בכל העולם נוצרו כאשר כמות עצומה של מינרלים הושקעה על ידי מי המבול. תהליכי שחיקה כבר היו ידועים, אבל לא היה שום הסבר מקביל ליצירת שטחי האדמה, בניגוד להרס שלהם על ידי בליה. חשיבות היווצרות סלעים באמצעות געשיות ותהליכים תוצרי-חום אחרים בקרום כדור הארץ הוכרה באופן חלקי בלבד, וכן לא הוכר כלל קיומם של סלעי יסוד וסלעים מותמרים.
רעיונות אלה היו מנוגדים בתכלית לתאוריות בנות-זמנו. האטון טען כי סלעים רבים אכן נוצרו על ידי השקעה, כלומר חלקיקי סלע נשטפו מהאדמה אל האוקיינוסים, הצטברו על קרקעיתם והתמצקו לסלעים. אולם, עמדתו הייתה כי התמצקות הסלעים נבעה לא מהשקעה מתוך תמיסה מימית אלא כתוצאה מלחץ וחום – הסבר שנותר תקף גם במחקר המודרני. האטון הוסיף כי בליה ושחיקה יצרו משטחים חדשים באמצעות געשיות ותהליכים אחרים המונעים בחום הפנימי של כדור הארץ שהביאו סלעים חדשים לפני השטח. הרים חדשים אלה ו אחרות נשחקו בתורן והושקעו בתוך הים, משם יכלו להידחף אל פני השטח וליצור משטחים חדשים באמצעות תהליכים מונעי-חום מפנים כדור הארץ.
לתפיסתו, מכלול תהליכים גאולוגיים אלה יכול להסביר באופן מלא את צורות הנוף הנוכחיות בכל רחבי העולם, וכי ההסבר המקראי לא היה נחוץ בעניין זה. לבסוף, הוא ציין כי תהליכי השחיקה, ההשקעה, ההרבדה וההרמה היו מחזוריים, ובוודאי חזרו על עצמם פעמים רבות לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ. הוא אף הצהיר, כי בהתחשב במשך הזמן הנחוץ לכל אחד ממחזורים אלה – הרי שכדור הארץ חייב להיות עתיק לאין שיעור.
בעקבות ביקורת, במיוחד של המדען האירי ריצ'רד קירוואן (Richard Kirwan) שטען בין השאר כי האטון הוא "אתאיסט ודל-הגיון" ואף כינה את תורתו "אקסצנטרית" ו"פרדוקסלית", החליט האטון להדפיס גרסה של התאוריה שלו בשני כרכים ב-1795, המכילים את עיקרי התאוריה מ-1788 וחומר רב נוסף שנלקח ממאמרים קצרים שפרסם בנושאים שונים, כדוגמת מקור הגרניט. שני הכרכים כללו סקירה של תאוריות חלופיות, כגון אלו של התאולוג האנגלי תומאס ברנט (Thomas Burnet) וז'ורז'-לואי לקלרק דה בופון, וכן סיכום השקפותיו ועדויות רבות מתצפיותיו לתמיכה במסקנותיו. כרך שלישי שהיה נחוץ להשלמת התאוריה נותר בכתב-יד ולא הושלם עד מותו.
הגם שמדענים באירופה נטו לקבל את הרעיונות החדשניים, ההשפעה המיידית שלהם הוקהתה בשל כתיבתו המסורבלת של האטון. בשנת 1802 פרסם ג'ון פלייפייר עבודה בשם "Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth", שכללה תמצית ברורה לעבודתו של האטון בתוספת תצפיות משלו – פרסום שביסס את עקרון האחידות כאבן-פינה למדע הגאולוגיה. תרומה נוספת לביסוס תורתו של האטון התגלמה בעקרונות הגאולוגיה – ספר בן 3 כרכים שפרסם צ'ארלס לייל בשנים 1830–1833, ובו סיכם את עקרון האחידות בביטוי: ההווה הוא המפתח לעבר.
תאוריות מנוגדות.
התאוריות החדשות של האטון הפכו אותו ל"בר פלוגתא" של כמה תפיסות, שהיו מקובלות עד אותה עת:
התקבלות התאוריות הגאולוגיות.
כתיבתו של האטון הייתה לא ברורה עד כי בלמה את קבלת התאוריות הגאולוגיות שלו, אולם ניסוחים מחודשים של רעיונותיו הגאולוגיים (אם כי לא רעיונות על אבולוציה) על ידי ג'ון פליפייר ב-1802 וצ'ארלס לייל ב-1830 סילקו מכשול זה. עם זאת, התאוריה נקראה בהרחבה ברחבי בריטניה ומחוץ לה: התקציר תורגם לגרמנית ולצרפתית בשנת 1788, נכתבו עליה ביקורות רבות והיא קיבלה הכרה בארצות הברית כבר ב-1805. דעותיו של האטון היו מוכרות היטב בראשית המאה ה-19. עם זאת, על אף העניין ההולך וגובר בגאולוגיה וההצטברות המהירה של תצפיות עובדתיות, טרם התקבלה התאוריה בשלמותה. לייל אמנם קיבל את מרבית דעותיו של האטון והסביר אותן בספרו, אולם הוא וחסידיו דחו את מסקנותיו של האטון הנוגעות לחשיבות הסחיפה בנהרות. העיכוב בהכרת תרומתו של האטון מיוחס למגוון סיבות שפעלו ביחד:
עם זאת, ב-1830 היו גאולוגים – גם השמרנים שבהם – מצוידים במידע תומך שאיפשר להם לתמוך בתאוריה של האטון, שקיבלה הכרה נרחבת בבריטניה ובארצות הברית. אולם, רעיונותיו של האטון התקבלו לעיתים ללא ביקורת: ההתנגדות הראשונית לרעיונות מדעיים מודרניים – דוגמת טקטוניקת הלוחות והכחדות המוניות שאירעו כתוצאה מהתנגשות עם אסטרואידים – מקורה בדבקוּת נוקשה מדי בעקרון האחידות.
אתרים על שם האטון.
שני אתרים בפארק הולירוד הסמוך לביתו באדינבורו נקראו על שמו של האטון:
מדעים נוספים.
מטאורולוגיה.
האטון לא התמקד בגאולוגיה בלבד, אלא חקר במשך תקופה ארוכה גם את השינויים באטמוספירת כדור הארץ. חיבורו "תאוריה של גשם" הופיע בפרוטוקול הראשון של החברה המלכותית של אדינבורו, ובו פותח האטון בהנחה כי כמות הלחות המסוגלת להתמוסס באוויר גדלה עם הטמפרטורה, ולכן בתערובת שבין שתי מסות של אוויר בעלות טמפרטורות שונות – חלק מהלחות חייב להתעבות ולהופיע בצורה גלויה לעין. הוא חקר את המידע הזמין בנוגע לכמות גשמים ואקלים באזורים שונים על פני כדור הארץ, והגיע למסקנות כי כמות הגשם מווּסתת על ידי הלחות באוויר, וכי זרמי אוויר שונים מתערבבים בגובה האטמוספירה.
לדברי פלייפייר, תאוריה גאונית זו משכה תשומת-לב מיידית וזכתה להערכה רבה בשל יכולתה לספק מושג ברור לדרך בה פועל קור בתהליך יצירת משקעים מתוך לחות.
מדעי הטבע.
ב-7 באפריל 1794 הקריא האטון בפני החברה המלכותית של אדינבורו את חלקו הראשון של דיון ארוך בפיזיקה, וחלקים נוספים הוקראו על ידיו בפגישות נוספות באותה שנה. כל החלקים אוגדו לספר "מחקר על הפילוסופיה של אור, חום ואש" (A Dissertation upon the Philosophy of Light, Heat, and Fire), בו דן האטון בטבעם של חומר, נזילות, לכידות, אור, חום וחשמל. בפתח דבריו התייחס האטון לפלוגיסטון – חומר היפותטי חסר-צבע, חסר-טעם וחסר-ריח, אשר על-פי "תאוריית הפלוגיסטון" שהייתה פופולרית עד שלהי המאה ה-18 – נמצא בכל גוף בר-בעירה ומשתחרר במהלך בעירה והופך למעשה לאש:
תאוריית הפלוגיסטון הוחלפה בסופו של דבר על ידי תאוריית החמצן של אנטואן לבואזיה. גם תאוריית הקלוריק – שגרסה כי חום הוא יסוד כימי נוזלי הזורם מגופים חמים לגופים קרים – נעלמה מאוחר יותר עם התפתחות מדע הכימיה.
אבולוציה.
ב-1794 פורסם "חקירה של עקרונות הידע והתקדמות השכל הישר, מהגיון למדע ופילוסופיה" 2,138 העמודים שנכללו בו הביאו את ג'ון פלייפייר להעיר כי "גודלו העצום של הספר וחוסר הבהירות, שניתן ובצדק להתנגד לו בחלקים רבים שלו, מנעו ממנו קרוב לוודאי להתקבל באופן שהוא ראוי לו באמת". האטון דגל ביישום עקרון האחידות גם לגבי יצורים חיים, ואף הציע את הברירה הטבעית כמנגנון אפשרי המשפיע עליהם. בכרך השני כתב האטון:
האטון נתן את הדוגמה כיצד כלבים שרדו באמצעות "זריזות הרגליים ומהירות הראייה... אלה הלוקים ביותר בתכונות הכרחיות אלו, יהיו מטרה להכחדה, בעוד שאלה שיישמו אותן בצורה המושלמת ביותר יישארו לשמר את עצמם ולהמשיך את הגזע." באופן דומה, אם חוש ריח חד היה "הכרחי יותר להישרדות החיה... אותו עיקרון ישנה את תכונות החיה, ו... יצור גזע של כלבים בעלי חוש ריח חד, במקום כזה הלוכד את טרפו בעזרת קלות רגליו". אותו "עקרון השינוי" ישפיע על "כל המינים של הצמחים, בין אם הם צומחים ביער או באחו".
הוא הגיע לרעיונות אלו כתוצאה מניסיונותיו בטיפוח צמחים וגידול בעלי חיים, שאת חלקם פירט בכתב-יד שלא פורסם: "יסודות החקלאות". הוא הבדיל בין שינוי תורשתי כתוצאה מהכלאה לבין שינוי שאינו תורשתי הנגרם מהבדלי סביבה כדוגמת קרקע ואקלים.
האטון ראה ב"עקרון השינוי" שלו תאוריה המסבירה את התפתחות המינים, אך דחה את הרעיון שהאבולוציה גורמת ליצירת מינים חדשים והגדירה "פנטסיה רומנטית". כדאיסט קיבל האטון את האפשרות כי מנגנון זה מתיר למינים ליצור סוגים המותאמים טוב יותר לתנאים מסוימים וראה בכך הוכחה של תכנון טוב-לב בטבע. רעיונותיו של האטון על גאולוגיה הובהרו בספריו של צ'ארלס לייל, שאותם קרא צ'ארלס דרווין במהלך המסע השני של האונייה "ביגל". על דרווין היה לפתח באורח עצמאי את רעיון הברירה הטבעית על-מנת להסביר את "מוצא המינים" ולהביא אותו לחזית מודעות הציבור, ובה-בעת לספק ראיות מרובות שהיו הכרחיות לשכנוע של הקהילה המדעית בנכונות התאוריה שלו.
פילוסופיה ואמונה.