Fou membre preeminent de l’Invisible College, que el 1660 es transformà en la Royal Society. El 1657 construí amb Robert Hooke una bomba pneumàtica basant-se en els treballs de l’alemany Otto von Guericke. Observà que a l’aire hi ha un component necessari per a la combustió i la respiració, i que l’aire és suport de les ones sonores però no influeix sobre els fenòmens elèctrics i magnètics. Perfeccionà el termòmetre de Galileu i adoptà com a punt fix de l’escala termomètrica el de la fusió del glaç. En la resposta a una crítica al seu llibre New Experimental Physico-Mechanical touching the Spring of Air and its Effects (Oxford, 1660) descriu la llei de compressibilitat dels gasos, coneguda per llei de Boyle-Mariotte. En química, la seva aportació fou de la màxima transcendència. En l’obra The Sceptical Chemist (1661) s’oposà fermament a les doctrines tradicionals que havien constituït la base de l’alquímia. Atomista de caire cartesià, fou el primer a distingir clarament entre elements químics, composts químics i mescles, a definir els termes àcid i base i a estudiar-ne les propietats emprant indicadors (tintures vegetals). Assentà les bases de la química analítica quantitativa i aïllà l’hidrogen, el fòsfor i diversos composts. Fou director de la Companyia de les Índies Orientals i subvencionà diverses edicions i traduccions de la Bíblia, entre les quals una en llengua gaèlica editada a Irlanda (1680), única versió existent en aquest idioma.