Bunsen beriket vitenskapen med en mengde oppdagelser. Av stor betydning var i særdeleshet hans undersøkelser om kruttet, dobbelcyanurer, kakodylserien, den spesifikke vekten, lovene for gassabsorpsjonen, trykkets innflytelse på smeltede emnets overgang til fast form, kondensasjonen av gasser på glass, diffusjonen og foreteelsene ved gassers forbrenning, den elektrolyttiske metode for utvinning av alkalimetaller og dessuten fotokjemien - ved sistnevnte undersøkelse ble han bistått av Henry Enfield Roscoe. Bunsen oppdaget de kjemiske grunnstoffene cesium i 1860 og rubidium i 1861. Bunsens navn er også knyttet til atskillige forbedrede apparater, som bunsenbrenneren, Bunsens fotometer, Bunsens iskalorimeter og dampkalorimeter, med flere.