Een van Gay-Lussacs vroege werken was een uitgebreid onderzoek naar hoe het volume van verschillende gassen verandert met de temperatuur. De Engelse wetenschapper John Dalton bestudeerde onafhankelijk van hem hetzelfde fenomeen. Beiden ontdekten dat het volume V van alle bestudeerde gassen evenredig toenam met hogere temperatuur T wanneer de druk P constant werd gehouden ( VαT bij constante P ). Beiden publiceerden hun resultaten rond 1802, waarbij het experimentele werk van Gay-Lussac zowel grondiger als nauwkeuriger was dan dat van Dalton. De eer voor deze ontdekking gaat echter meestal niet naar Dalton of Gay Lussac, maar naar Jacques Charles. Charles had in 1787 een eerste onderzoek gedaan naar de thermische uitzetting van gassen. Hoewel Charles de resultaten van zijn experimenten nooit heeft gepubliceerd, heeft Gay-Lussac in zijn eigen wetenschappelijke memoires erkend dat hij van Charles’ werk had gehoord. De wet op de thermische uitzetting van gassen wordt soms de wet van Gay-Lussac genoemd, maar is vooral bekend geworden als de wet van Charles.

Gay-Lussacs studies beperkten zich niet tot de fysische eigenschappen van gassen. In 1804 profiteerde Gay-Lussac van de groeiende belangstelling voor ballonvaren en maakte hij meerdere vluchten om zowel het magnetisch veld van de aarde te bestuderen als hoe de temperatuur en de samenstelling van de atmosfeer veranderden naarmate men hoger kwam. Op zijn tweede vlucht nam hij monsters van de lucht terwijl hij een hoogte van 23.018 voet bereikte in een waterstofballon, een record dat bijna vijftig jaar standhield. Bij zijn terugkeer op aarde vergeleek hij de gasmonsters met die genomen op grondniveau en concludeerde dat ze in wezen identiek waren – dit ondanks het feit dat hij tijdens de vlucht hoofdpijn had gekregen die zeer waarschijnlijk het gevolg was van het verminderde zuurstofgehalte op grote hoogte.

In 1808 publiceerde Gay-Lussac zijn “Wet van het Combineren van Volumes van Gassen”. Hij bepaalde dat wanneer verschillende gassen met elkaar reageren, zij dit altijd doen in verhoudingen van kleine gehele getallen (b.v. twee volumes waterstof reageren met één volume zuurstof en vormen H 2 O). Dit was een van de grootste vorderingen van zijn tijd en hielp de basis te vormen voor de latere atoomtheorie en hoe chemische reacties verlopen.

Samen met zijn collega Louis-Jacques Thénard (1777-1857) verrichtte Gay-Lussac veel werk op het gebied van de elektrochemie om aanzienlijke hoeveelheden elementair natrium en kalium te produceren, zeer reactieve en nuttige stoffen die werden gebruikt om het element boor te isoleren en te ontdekken. Gay-Lussac verrichtte ook uitgebreid onderzoek naar zuren en basen en was de eerste die ontdekte dat er binaire (twee elementen) zuren bestonden, zoals zoutzuur (HCl), naast de bekende zuurstofhoudende zuren zoals zwavelzuur (H 2 SO 4 ). Bovendien was hij in staat om te bepalen dat de chemische samenstelling van blauwzuur waterstofcyanide (HCN) was en werd hij beschouwd als de belangrijkste beoefenaar van de organische analyse.

In latere jaren bleef Gay-Lussac de wetenschap vooruit helpen. Hij ontwikkelde een nauwkeurige methode voor het analyseren van het alcoholgehalte van likeuren en patenteerde een methode voor het vervaardigen van zwavelzuur. Zijn laatste publicatie over aqua regia (een mengsel van salpeterzuur en zoutzuur dat goud of platina oplost) verscheen het jaar voor zijn dood in 1850. Gay-Lussac was een experimenteel en theoretisch expert van het hoogste niveau. Meer dan vijfentwintig jaar na de dood van Gay-Lussac zei de vooraanstaande scheikundige Marcellin Bertholet (1827-1907) eens: “Wij allen onderwijzen…de scheikunde van Lavoisier en Gay-Lussac” (Crosland, p. 248), een passend eerbetoon aan twee uitmuntende wetenschappers uit die tijd.