這正是伽利略的自由落體定律：一切物體在真空中下落的速度相等，而與物體重量無關。
當他知道葛利克製成了研究氣體的設備空氣抽氣機後，便在助手虎克的協助下，自行設計製成了效率更高的抽氣泵。這種抽氣泵得到的真空，被叫做“波義耳真空”。
利用自製的抽氣泵，波義耳多次做了氣體的體積與壓力有關的實驗。在波義耳之前，意大利的科學家托賽利，於1643年就做過空氣有壓力的實驗，但未能發現氣體體積與壓力之間的定量關係。波義耳就是要在前人的基礎上，深入探究這樣的問題。
他的實驗清楚而有趣地表明：氣體的體積與壓力是成反比的。當壓力增大一倍，體積就減少一半；當壓力減少一半，體積又增大一倍。這是他用多種方法、多次實驗，通過細心測量得出的結論。不論在壓力高於大氣壓，還是壓力低於大氣壓的情況下，都是如此。這就是著名的波義耳定律，它是1662年物理學上的重大發現。1676年，法國物理學家馬略特也發表了一篇論文，說明氣體體積與壓力成反比的定量關係。所以，這一定律也稱波義耳-馬略特定律。
在波義耳定律發表的第二年，即1663年，世界知名的英國皇家學會成立了。波義耳被一致選舉為該會會員。這時的波義耳名聲愈來愈大，到處受到尊敬。不少公司請他任職，甚至還經常應邀入宮。但是，這一切榮耀絲毫也沒有引起波義耳的關注，他所全力關注的還是科學事業。這時正是他創造力的極盛時期，一篇接一篇的科學論著，不斷發表出來。
1664年，他發表了《關於顏色的試驗和思考》；1665年，《酸堿假設的思考》問世；後來，還出版了《礦泉水的自然史簡編》。這些都是波義耳在分析化學方麵的重大貢獻。
紫羅蘭變色引發的思考
一天，在波義耳的實驗室裏，一束深紫色的、非常漂亮的紫羅蘭忽然冒起煙來。走近一看，原來是做實驗用的濃鹽酸濺到花上了。波義耳立即拿起花束，放在水裏清洗。結果，魔術般的奇跡發生了！紫羅蘭變成紅色，成了“紅羅蘭”。
這一偶然發現，卻引起了波義耳的認真思考：紫羅蘭若遇到其他的酸溶液，會不會也有這種現象呢？如果不是紫羅蘭而是其他有色植物呢？如果有色植物遇到的不是酸，而是酸的對立物——堿，又會有什麼結果呢？
波義耳解決這一連串問題的惟一辦法，就是實驗。於是，他讓助手們離開實驗室，去花園、去田野搜集各種有色植物。當助手們回來的時候，實驗室幾乎變成一座花房。這裏不僅有上好的紫羅蘭，還有玫瑰、櫻草、洋紅、石蕊、薑黃、蘇木、五倍子等等。波義耳和他的助手們先把這些有色植物的漿汁浸漬出來，再將浸液分別與酸、堿作用。有的隻在酸作用下變色，有的則遇堿才改變顏色。最有趣的是，紫色的石蕊浸液遇酸變紅，遇堿則變藍。這樣一來，不就可以用這些植物浸液來辨認什麼是酸，什麼是堿了嗎？這些浸液就是酸堿指示劑。為了使用方便，波義耳還想出了用吸收浸液後又烤幹的紙，來檢驗酸堿的辦法。至今還在使用的石蕊試紙，就是當年波義耳的發明。
在這項研究中，他還進一步了解到，除酸堿反應外，還有許多化學反應可以生成有顏色的物質。利用這些顏色的變化，就可以檢驗更多的物質。例如，硝酸銀溶液與鹽酸相遇，就會產生白色沉澱（即氯化銀，當時波義耳稱它為“月牙”）。碳酸鉀溶液（植物中的堿）與氯化汞作用，則產生黃色沉澱。銅鹽溶液中加些氨水，藍色就會明顯變深，如果醮點銅鹽在火上燒一燒，火焰就會呈現綠色，等等。
分析化學，就是檢驗分析物質的成分和含量的。波義耳的上述發現，為分析化學的發展打下了很好的基礎。所以，人們都尊敬地稱他是分析化學的奠基人。
一個科學家，哪怕是一個最偉大的科學家，在科學工作上，也不可能沒有缺點和錯誤。波義耳在研究燃燒現象時所提出的“火微粒說”，就是一例。