I sin tidlige forskning beskjeftiget Sabatier seg med svovels og metalliske sulfaters termokjemi, noe som førte til hans doktorgrad. I Toulouse utvidet han sitt forskningsfelt til å omfatte sulfider, klorider, kromater og kobberholdige forbindelser. Han studerte også nitrogenoksider. I 1900 oppdaget han at umettede organiske forbindelser kan oppta hydrogen når de ledes over en nikkelkatalysator. Senere fant han at man med hydrogen og bestemte katalysatorer kan omdanne karbonoksid til metan, nitrobenzen til anilin og aceton til propanol.