在化學研究中，波義耳對物質的組成探討最為深入，成果也最為突出。1661年出版的化學名著《懷疑派化學家》，就是他關於物質組成的成功之作，也是化學發展史上的一個重要裏程碑。
懷疑派化學家
《懷疑派化學家》這本書，是采用朋友之間對話的形式寫成的。書裏的人物共有四位。一位是懷疑派化學家，他代表了波義耳本人的觀點；一位是逍遙派化學家，他代表“四元素說”
的觀點；一位是醫藥派化學家，他是“三元素說”的代表；還有一位是中立派化學家，他在爭論中保持中立。有一天，四位朋友在長尼茲的花園中相會，便討論起“元素”問題。
逍遙派化學家的觀點是，宇宙萬物都是由土、水、氣和火四種元素所組成。這四種元素又是由四種物性即冷、熱、幹、濕，兩兩結合成的。冷與幹結合成土；濕與冷結合成水；熱與濕結合成氣（風）；幹與熱結合成火。四種元素按不同比例結合，就形成各種各樣的物質。這樣，隻要改變四元素的比例，普通金屬也能變成黃金。
醫藥派化學家則認為，萬物都是由硫、汞（水銀）、鹽三種元素按不同比例組成的。認為汞是一切金屬的本質，硫是一切可燃物所共有的，硫與汞結合可以得到各種金屬。普通金屬與黃金、白銀的差別，就在於含硫、汞的比例不同和純度不同。如果找到一種“哲人石”，就可以把金屬中的下賤成分除掉，使普通金屬變為金、銀。
這兩派的觀點，雖說法不同，但本質上是一樣的，他們都為煉金術士們提供了“理論”依據。今天聽來這些十分可笑的錯誤觀點，在波義耳時代，卻是極為盛行的。
代表波義耳的懷疑派化學家，以大量的實驗事實駁斥了他們的觀點。波義耳舉出了黃金的例子。他說：黃金不怕火燒，經過烈火也未見黃金分解，更沒分解出硫、汞和鹽，也不可能含有土、水、氣和火。但黃金可以跟其他金屬形成合金，也可以用王水溶解，溶解後再經處理，底層就會沉澱出一層金粉，其數量和性質跟原來溶解的黃金一樣。這說明黃金無論經過什麼化學反應，黃金的微粒是不變的。他還舉出水銀的實驗、銅的實驗來說明這個觀點。
懷疑派化學家在這裏還批駁了“火能使複雜物質分解為元素”的說法。他說：砂子和堿混合熔化，會生成透明的玻璃，但玻璃不會再被火分解成原來的物質或更簡單的物質。在他列舉出許多事實之後，得出的結論是：“化學家從來也沒有證明，化合物能通過化學分析正好分解出三種可以當作元素的特定物質。”他斷言，物質的形成是複雜的，“四元素說”、“三元素說”都是錯誤的，就像一個人隻認識三四個密碼，卻要破譯一本用大量密碼寫成的書，這是不可能的。
從大量實驗事實出發，他給元素下了一個明確的定義。他說：“我指的元素，應當是不由其他任何物質所構成的原始的、簡單的、純淨的物質”，“是具有確定性質的、實在的、可覺察到的實物，是用一般化學方法不能再分解的最簡單的實物。”
從現代觀點看，他說的元素就是單質。盡管如此，在當時，波義耳關於元素的論證，有力地批判了煉金術士們陳舊的、唯心的元素觀，使化學研究走向了科學的道路。
繼1661年《懷疑派化學家》這一名著發表之後，第二年，他又發表了以他的名字命名的“波義耳定律”。
波義耳定律的發現
波義耳不僅是一位傑出的實驗化學家，還是一位出色的實驗物理學家。在物理學方麵，使他最感興趣的，是氣體的研究。
首先，他注意到氣體有彈性，即可被壓縮，液體蒸發時，蒸汽會彌散在整個空間。這使他得出一個合理的推論，那就是氣體是由保持一定距離的小微粒組成的。氣體有彈性，就是微粒間的距離可大可小。
他還用一個抽掉空氣的圓筒，第一次證明一塊鉛和一根羽毛在沒有空氣阻力時會同時著地。