Hans viktigste arbeid ble publisert i 1811. Her diskuterte han teorien for molekyler som var tidligere foreslått av John Dalton og hvordan den passet inn med de eksperimentelle undersøkelsene til den franske ingeniør og fysiker Gay-Lussac. Avogadro konkluderte med at molekylene i gassene til hydrogen, oksygen og nitrogen måtte bestå av to atomer som vi vet i dag er riktig. Atomvekten til nitrogen måtte være 13,2 ganger større enn for hydrogen som heller ikke er langt unna den riktige verdien som er 14. Ved bruk av sin gasslov kunne han også for første gang vise at vannmolekylet måtte bestå av to hydrogenatomer og et oksygenatom.