Som fysiker arbeidet Loschmidt innen termodynamikk, elektrodynamikk, optikk og krystallografi. Men det første bidraget som senere skulle gjøre han berømt, var et stort verk om kjemi med tittelen som han publiserte i 1861. Han måtte selv betale for trykkingen av verket da han på den tiden var lite anerkjent. Det inneholdt blant annet grafiske fremstillinger av hvordan 368 molekyl var sammensatt av mindre atomer. Det er fremdeles ganske leseverdig med illustrasjoner av kjemiske bindinger ved streker. Likedan blir dobbelt- og trippelbindinger diskutert og angitt ved tilsvarende antall streker som i dagens lærebøker. Han kom frem til at noen grunnstoff kunne opptre med forskjellige valenser og mente at oson måtte bestå av tre oksygenatomer, noe som tyve år senere viste seg å være riktig.