I sitt første arbeid undersøkte han hvordan gasser utvider seg under oppvarming, noe som nå formuleres i Gay-Lussacs lov. Senere gjorde han den grunnleggende oppdagelsen at gasser reagerer med hverandre slik at deres volum har heltallige forhold. Han isolerte bor og var med på oppdagelsen av det nye grunnstoffet jod. I kjemien utviklet han flere nye, analytiske metoder som titreranalyse og måling av alkoholprosent.