Da han kom tilbake til England i 1644, var faren død, og hadde etterlatt ham store eiendommer i Dorset og i Irland. Han viet seg nå til vitenskapelig forskning, og ble snart et framtredende medlem av forskerforbundet Invisible College – som seinere ble til Royal Society. Medlemmene hadde hyppige møter i London og i Oxford, der Boyle slo seg ned i 1654. Etter å ha lest om Otto von Guerickes luftpumpe, satte han seg fore å forbedre konstruksjonen sammen med Robert Hooke. I 1659 kunne han presentere sin eller , og med den gjennomførte han en serie eksperimenter med luft. Disse ble presentert i i 1660.