Ingressà a la Royal Society el 1760. Sis anys més tard, en la seva comunicació Factitious Airs, establí la diferència entre el diòxid de carboni (aire fix) i l’hidrogen (aire inflamable) i també desenvolupà tot un seguit de tècniques per a treballar amb gasos. El 1783, en els seus Experiments on Air, determinà que l’atmosfera té una composició constant i preveié l’existència dels gasos rars; sintetitzà l’àcid nítric per oxidació del nitrogen i l’aigua amb l’eudiòmetre que porta el seu nom. En els seus estudis sobre l’electricitat investigà sobre la capacitat dels condensadors i les propietats dels conductors, i introduí la idea de potencial elèctric. Abans que Joseph Black, descobrí les calors latents i específiques i posà en dubte la teoria del calòric. Mitjançant la balança de torsió de John Michell determinà la constant gravitacional, la densitat de la Terra (5,48 relativa a l’aigua) i la seva massa (6×202 4 kg). Una part dels seus treballs són recollits a les Philosophical Transactions.