Op 24 Augustus 1804 het Gay-Lussac en Biot 'n vlug in 'n waterstofballon aangedurf, en 'n hoogte van 4000 meter bereik. Hulle het die geleentheid gebruik om die aarde se magnetiese veld te ondersoek. Op 16 September het hy, hierdie keer alleen, 'n tweede ballonrit gedoen. Hy het lugmonsters op verskillende hoogtes geneem, en het 'n hoogte van 21 600 Paryse voet (7017 m) bo die ballon se opstygpunt bereik. Hy het 'n temperatuurafname van 1 °C per 174 m hoogte gemeet. Hy het saam met Alexander von Humboldt die monsters ontleed, en het gevind dat die suurstofinhoud van die lug onafhanklik was van die hoogte, en kon daardeur John Dalton se aanname, dat atomies swaarder gasse deur die atmosfeer sou sink, en ligter gasse sou styg, weerlê. Dit is vandag bekend dat veranderinge in die chemiese samestelling van die atmosfeer wel effens met hoogte saamhang, maar dat dit as gevolg van ander fisiese effekte gebeur, en nie weens die digtheid van die gas nie.
In 'n koolwaterstofontploffing het Gay-Lussac 'n swaar handbesering opgedoen, wat hy nooit sou oorkom nie.
In Parys is 'n straat en 'n hotel naby die Sorbonne na hom genoem. Sy naam is op die Eiffeltoring aangebring en 'n maankrater is ook na hom genoem.
Die wet van volumekombinasies het Gay-Lussac tot verdere gevolgtrekkings gelei. In 1815 het hy 'n metode vir die bepaling van dampdigthede ontwikkel. Kennis van die dampdigthede het bepalings van ie molêre massa van organiese en anorganiese verbindings moontlik gemaak: slegs die bepaling van die volume en die gewig van 'n gas wat uit distillasie verkry is, was nou voldoende om, deur vergelyking met waterstofgas, die molêre massa van 'n vlugtige organiese molekuul te bepaal. Hy het hierdie metode gebruik om die molêre massa van blousuur, etanol en diëtieleter te bepaal.
Gay-Lussac het ook studies oor die diffusie van vloeistowwe gedoen, die bepaling van die kookpunte van pare van vloeistowwe, en die afhanklikheid van oplosbaarheid en temperatuur van soute. Gay-Lussac ook toerusting vir fisiese chemie verbeter, byvoorbeeld beter apparate vir dampdrukbepaling, 'n verbeterde barometer, en 'n suiermanometer.
Sedert 1808 het Gay-Lussac en Louis Jacques Thénard die produksie van suiwer kalium uit kaliumhidroksied deur middel van'n voltaïese stapel ondersoek. Hy het in hierdie ondersoek 'n ernstige oogbesering opgedoen, en dit het 'n jaar geduur totdat sy sig selfs halfweg herstel is.
In samewerking met Thénard het Gay-Lussac 'n apparaat vir organiese elementanalise ontwikkel, met die gebruik van kaliumchloraat as die oksideermiddel. Die volume van die verbrande gasse is in 'n kwik buis bepaal; die koolstofdioksied is dan met kaliumhidroksied gebind, en daardeur bepaal. Vanaf 1815 Gay-Lussac die kaliumchloraat met koper(I) oksied vervang. Vir die ondersoek van blousuur, wat stikstof bevat, het hy suiwer koper vir die elementanalise gebruik.
Gay-Lussac het 'n metode vir alkoholbepaling ontwikkel en 'n volumetriese prosedure vir die bepaling van silwerinhoud. Hy het ook volumetriese titrasie ingelei. Belangrike metodes wat hy ontwikkel het, sluit in Chlorimetrie (in 1824) vir die bepaling van chloor of silwer, asook die alkalimetrie (in 1828).