Noen av sine viktigste eksperimenter gjorde Lavoisier på området forbrenning. Forsøkene hans viste at forbrenning innebærer en reaksjon med et grunnstoff som finnes i luften. Videre viste han dette stoffets rolle i planter og dyrs respirasjon og ved korrosjon av metaller. Med sine oppdagelser innen forbrenning avkreftet han den rådende flogistikk-teorien, som hevdet at brennende materialer avgir en substans som ble kalt flogiston.