Учёный-энциклопедист, Бойль, занимаясь проблемами биологии, медицины, физики и химии, проявлял не меньший интерес к философии, теологии и языкознанию. Бойль придавал первостепенное значение лабораторным исследованиям. Наиболее интересны и разнообразны его опыты по химии. Бойль считал, что химия, отпочковавшись от алхимии и медицины, вполне может стать самостоятельной наукой.
Поначалу Бойль занялся получением настоев из цветов, целебных трав, лишайников, древесной коры и корней растений… Много разных по цвету настоев приготовил учёный со своими помощниками. Одни изменяли свой цвет только под действием кислот, другие — под действием щелочей. Однако самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из лакмусового лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щёлочи — на синий. Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить её. Клочок такой бумаги, погружённый в испытуемый раствор, изменял свой цвет и показывал, кислый ли раствор или щелочной. Это было одно из первых веществ, которые уже тогда Бойль назвал индикаторами. И как часто случается в науке, одно открытие повлекло за собой другое. При исследовании настоя чернильного орешка в воде Бойль обнаружил, что с солями железа он образует раствор, окрашенный в чёрный цвет. Этот чёрный раствор можно было использовать в качестве чернил. Бойль подробно изучил условия получения чернил и составил необходимые рецепты, которые почти на протяжении века использовались для производства высококачественных чёрных чернил.
Наблюдательный учёный не мог пройти мимо ещё одного свойства растворов: когда к раствору серебра в азотной кислоте добавляли немного соляной кислоты, образовывался белый осадок, который Бойль назвал «луна корнеа» (хлорид серебра). Если этот осадок оставляли в открытом сосуде, он чернел. Совершалась аналитическая реакция, достоверно показывающая, что в исследуемом веществе содержится «луна» (серебро).
Молодой учёный продолжал сомневаться в универсальной аналитической способности огня и искал иные средства для анализа. Его многолетние исследования показали, что, когда на вещества действуют теми или иными реактивами, они могут разлагаться на более простые соединения. Используя специфические реакции, можно было определять эти соединения. Одни вещества образовывали окрашенные осадки, другие выделяли газ с характерным запахом, третьи давали окрашенные растворы и т. д. Процессы разложения веществ и идентификацию полученных продуктов с помощью характерных реакций Бойль назвал анализом. Это был новый метод работы, давший толчок развитию аналитической химии.
Однако научную работу в Столбридже пришлось приостановить. Из Ирландии пришла недобрая весть: восставшие крестьяне разорили замок в Корке, доходы имения резко сократились. В начале 1652 года Бойль вынужден был выехать в родовое поместье. Много времени ушло на улаживание финансовых проблем, был назначен более опытный управляющий, порой Бойль сам контролировал его работу.
В 1654 году учёный переселился в Оксфорд, где продолжил свои эксперименты вместе с ассистентом Вильгельмом Гомбергом. Исследования сводились к одной цели: систематизировать вещества и разделить их на группы в соответствии с их свойствами.
Бойль и Гомберг получили и исследовали много солей. Их классификация с каждым экспериментом становилась всё обширнее и полнее. Не всё в толковании учёных было достоверно, не всё соответствовало существовавшим в те времена представлениям, и, однако, это был смелый шаг к последовательной теории, шаг, который превращал химию из ремесла в науку. Это была попытка ввести теоретические основы в химию, без которых немыслима наука, без которых она не может двигаться вперёд.
После Гомберга его ассистентом стал молодой физик Роберт Гук. В основном они посвятили свои исследования газам и развитию корпускулярной теории.
Узнав из научных публикаций о работах немецкого физика Отто Герике, Бойль решил повторить его эксперименты и для этой цели изобрёл оригинальную конструкцию воздушного насоса. Первый образец этой машины был построен с помощью Гука. Насосом исследователям удалось почти полностью удалить воздух. Однако все попытки доказать присутствие эфира в пустом сосуде оставались тщетными.
— Никакого эфира не существует, — сделал вывод Бойль. Пустое пространство он решил назвать вакуумом, что по-латыни означает «пустой».
Кризис, охвативший в конце пятидесятых годов всю Англию, прервал его научную работу. Возмущённые жестокой диктатурой Кромвеля сторонники монархии вновь поднялись на борьбу. Аресты и убийства, кровавая междоусобица стали обычным явлением в стране.
Бойль удалился в поместье: там можно было спокойно трудиться. Он решил изложить результаты своих исследований за последние десять лет. В кабинете Бойля работали почти круглосуточно два секретаря. Один под его диктовку записывал мысли учёного, другой переписывал начисто уже имевшиеся наброски. За несколько месяцев они закончили первую большую научную работу Бойля «Новые физико-механические эксперименты относительно веса воздуха и его проявления». Книга вышла в свет в 1660 году. Не теряя ни дня, Бойль приступает к работе над следующим своим произведением: «Химик — скептик». В этих книгах Бойль камня на камне не оставил от учения Аристотеля о четырёх элементах, существовавшего без малого две тысячи лет, декартова «эфира» и трёх алхимических начал. Естественно, этот труд вызвал резкие нападки со стороны последователей Аристотеля и картезианцев. Однако Бойль опирался в нём на опыт, и потому доказательства его были неоспоримы. Большая часть учёных — последователи корпускулярной теории — с восторгом восприняли идеи Бойля. Многие из его идейных противников тоже вынуждены были признать открытия учёного, в их числе и физик Христиан Гюйгенс, сторонник идеи существования эфира.
После восшествия на престол Карла II политическая жизнь страны несколько нормализовалась, и учёный мог уже проводить исследования в Оксфорде. Иногда он наведывался в Лондон, к сестре Катарине. Его ассистентом в лаборатории Оксфорда теперь был молодой физик Ричард Таунли. Вместе с ним Бойль открыл один из фундаментальных физических законов, установив, что изменение объёма газа обратно пропорционально изменению давления. Это означало, что, зная изменение объёма сосуда, можно было точно вычислить изменение давления газа. Величайшее открытие XVII века. Бойль впервые описал его в 1662 году («В защиту учения относительно эластичности и веса воздуха») и скромно назвал гипотезой. Пятнадцатью годами позже во Франции Мариотт подтвердил открытие Бойля, установив ту же закономерность. По сути дела это был первый закон рождающейся физико-химической науки.
Кроме того, Бойль доказал, что при изменении давления могут испаряться даже те вещества, с которыми этого не происходит в нормальных условиях, например лёд. Бойль первым описал расширение тел при нагревании и охлаждении. Охладив железную трубу, наполненную водой, Бойль наблюдал, как она разрывается под воздействием льда. Впервые в истории науки он показал, что при падении давления вода может кипеть, оставаясь чуть тёплой.
Однако, открывая новые явления, Бойль не всегда мог объяснить их истинную причину. Так, наблюдая подъём жидкости в тонких трубках, он не понял, что открыл явление поверхностного натяжения. Это будет сделано много позже английским физиком Д. Стоксом.
Бойль также открыл, что воздух изменяется от горения в нём тел, что некоторые металлы увеличиваются в весе при нагревании. Но он не сумел извлечь из этих работ никаких теоретических заключений. Заметим, что вины Бойля в этом нет, поскольку он находился у самого начала экспериментальной физики.
Став ведущим английским физиком и химиком, Бойль выступил инициативой организации Общества наук, которое вскоре получило название Лондонского королевского общества. Бойль состоял президентом этой научной организации с 1680 года до самой смерти. При его жизни Королевское общество было признанным научным центром, вокруг которого объединились крупнейшие учёные того времени: Дж. Локк, И. Ньютон, Д. Уоллес.