密度は記号 "ρ"（ロー）で表され、SI単位はkg/m³ である。これは、比体積の逆数である。気体粒子は容器内を自由に動けるため、その質量は一般に密度によって特徴付けられる。密度は質量を体積で割った値である。気体の圧力または体積の一方を一定としたとき、密度は広範囲にわたって変化する。この密度の変化の度合いを圧縮率と呼ぶ。圧力や温度と同様、密度は気体の状態変数の1つであり、任意の過程における密度の変化は熱力学の法則に従う。静止気体においては、密度は容器全体で均一である。つまり密度はスカラー量であり、大きさはあるが方向のない単純な物理量である。気体分子運動論によれば、気体の質量が一定のとき密度は容器の大きさすなわち体積に反比例する。すなわち、質量が一定であれば密度の減少とともに体積が増大する。
比体積を表す記号は "v " を使い、SI単位はm³/kg である。体積は記号 "V " で表され、SI単位はm³ である。熱力学解析においては、示強属性と示量属性を扱うのが一般的である。気体の量に依存する属性（質量や体積）を示量属性、気体の量に依存しない属性を示強属性と呼ぶ。比体積は単位質量の気体が占める体積の比であり、あらゆる平衡系の気体にわたって同一であるため示強属性の例である。プロトアクチニウムの原子1000個がある温度と圧力で占める体積は、他の任意の原子1000個が同じ温度と圧力で占める体積と同じである。気体に比べて圧縮性のない固体の鉄を思い浮かべればわかりやすい。右の写真にあるような射出座席はロケットで推進するが、ロケットは質量を保持しつつ膨張するガスを噴射しており、この際に比体積が増加する。気体はそれを取り囲むどのような容器であっても全体を満たす性質があり、体積は示量属性である。
温度を表す記号は "T " を使い、SI単位はケルビン (K)である。気体粒子の速度は、その熱力学温度に比例する。右の動画は、風船内に捕らわれた気体粒子が極低温の窒素に触れることでその速度が遅くなり、風船が縮む様子を示している。任意の物理系の温度はその系（気体）を構成する粒子（原子、分子）の運動と関連している。統計力学では、温度とは粒子内に蓄えられた運動エネルギーの平均を示す測度である。このエネルギーを蓄える方法は、粒子自身の自由度（エネルギーモード）で表される。気体粒子が運動エネルギーを蓄えるのは、衝突によって直線運動、回転運動、振動といった運動エネルギーを得たときである（吸熱過程）。対照的に固体内の分子に熱を加えても振動モードでしかエネルギーを蓄えられず、直線運動や回転運動は結晶構造によって妨げられる。熱せられた気体粒子は粒子同士が一定の割合で衝突することで速度が広範囲に変化しうる。速度の範囲はマクスウェル分布で表される。なお、この分布を想定するということは、その系が熱力学的平衡付近の理想気体だと仮定していることを暗に示している。
圧力を表す記号は "p " または "P " を使い、SI単位はパスカル (Pa=N/m²) である。気体が何らかの容器に入っているとき、気体の圧力は気体が容器表面に及ぼす単位面積当たりの平均的な力に等しい。その容積の中で気体粒子は直線的に運動していて、容器に衝突して力を及ぼしていると考えれば理解しやすい。その衝突の際に気体粒子から容器に与えられた力の分だけ粒子の運動量が変化する。古典力学では、運動量は質量と速度の積と定義されている。衝突に際して、粒子の速度の壁と垂直な成分だけが変化する。壁に平行な方向に進む粒子の運動量は変化しない。したがって、粒子の衝突によって容器表面にかかる力の平均は、気体粒子の衝突による線運動量の変化の平均に他ならない。より正確には、粒子が容器表面に衝突した際の力の垂直成分の合計を表面積で割った値が圧力となる。
1909年、教授を務めていたシカゴ大学で単一の電子の電荷量（電気素量）を計測する油滴実験を開始した。油滴実験の精度を高めるために水滴のかわりに蒸発の少ない油滴を使うという重要なアイデアは当時大学院生だったハーヴェイ・フレッチャーのものだったが、ミリカンは論文を単独名で発表した。その代わりとしてフレッチャーの学位論文はフレッチャーの単独署名とされた。ミリカンはこの業績などにより1923年のノーベル物理学賞を受賞。フレッチャーは亡くなるまでその密約を守り続けた。ミリカンはまず1910年に結果を公表したが、フェリックス・エーレンハフトが矛盾する計測結果を発表し、両者の間で論争が起きた。その後ミリカンは装置の改良に取り組み、1913年にさらに正確な研究結果を公表している。電気素量は基本的物理定数の1つであり、その値を正確に知ることは極めて重要だった。ミリカンらの実験は、2つの小さな電極間で帯電した小さな油滴を重力に逆らって宙に浮かせ、そのときにかかっている力を測定するものである。電場の強さがわかれば、小滴上の電荷を特定できる。多数の小滴で実験を繰り返し、電荷量が常に一定の値の整数倍になることを示した。その値 1.592×10⁻¹⁹クーロンが電子1個の電荷だとした。現在の電気素量は 1.60217653×10⁻¹⁹クーロンで、ミリカンがもちいた空気の粘度の値の誤差により若干の外れが生じたと考えられる。ミリカンが油滴実験をしていたころ、原子がもっと小さい粒子から構成されていることが明らかになりつつあったが、誰もがそれを信じていたわけではなかった。1897年に、J・J・トムソンらが陰極線を構成する粒子の質量電荷比を測定し、水素イオン（陽子）の約1000倍～4000倍と見積もった。しかし、当時の電気と磁気に関する知識では、電荷を連続的な値として扱うことで説明できるレベルであり、それは光を光子の流れとしてではなく連続波として扱うことで説明がつくのと同様だった。ミリカンの油滴実験の優れた点は、電気素量の正確な測定を可能にしただけでなく、電荷が実際には量子化された量であることを実地に示した点である。ゼネラル・エレクトリック社のチャールズ・スタインメッツは電荷は連続量だと信じていたが、ミリカンの装置を使ってみてミリカンの結果が正しいことを確信したという。