В 1781 году, устав страдать от безответной любви к физике, Кавендиш вернулся в химию и начал вести исследования с удвоенной энергией. За то десятилетие, в течение которого Кавендиш прекратил химические эксперименты, швед Карл Шееле и соотечественник Кавендиша Джозеф Пристли открыли еще один газ — кислород. В то время этому газу было дано несколько названий — дефлогистированный воздух (Пристли), огненный воздух (Шееле), каждое из которых отражало разные взгляды на его происхождение и свойства. В конечном итоге для этого газа и образующего его элемента закрепилось название кислород-oxygenium, предложенное французским химиком Антуаном Лавуазье, но Кавендиш тоже приложил свои силы к разгадке тайны дефлогистированного воздуха.
Натурфилософы семнадцатого века показали, что в герметичном сосуде атмосферный воздух может поддерживать жизнедеятельность животного (или процесс горения) в течение ограниченного времени, однако не было понятно — является ли причиной этого явления то, что дыхание и огонь портят воздух или же поглощают некий его жизненно важный компонент. Шееле выделил этот жизненно важный элемент атмосферы в 1771 году и первоначально назвал его «витриоловый воздух», возможно из-за того, что впервые получил его, обрабатывая пиролюзит (диоксид марганца) витриоловым спиртом (концентрированной серной кислотой). Правда позже, получив этот же газ из других веществ, обойдясь без кислот, используя термическое разложение селитры или оксида двухвалентной ртути (Пристли тоже получил кислород, разлагая оксид ртути), Шееле переименовал найденный им газ в «огненный воздух» — выделяющееся газообразное вещество ускоряло процесс горения. К несчастью для Шееле, результаты его открытия были опубликованы только в 1777 году, к тому времени Пристли уже успел сделать это же открытие независимо от Шееле.
Пристли, священник, взгляды которого, правда скорее напоминали взгляды ариан-монофизитов, отрицавших божественную сущность Христа, преподавал в Уорингтонской академии, был членом Королевского общества и отличался столь же широкими научными интересами, что и Кавендиш. Он начала изучать «связанный воздух» — углекислый газ — в 1770 году, соседство его дома с пивоварней облегчало получение объекта исследования. Чуть позже Пристли описал способ получения искусственной минеральной воды, который позволил начать промышленное производство шипучих напитков.
В 1772 году Кавендиш и Пристли принимали участие в обсуждении экспериментов, проведённых Стивеном Гейлсом, суть которых заключалась в изучении взаимодействия азотной кислоты с различными минералами и металлами. Когда Пристли воспроизвёл эксперимент Гейлса, он получил новый газ, получивший название «азотистый газ» (оксид азота(II)), который при контакте с атмосферным воздухом превращался в красно-коричневый газ (диоксид азота), поглощавшийся водой и оставлявший газ, который не поддерживал ни горение, ни дыхание. Обнаружив процесс превращения NO в NO2, Пристли решил использовать его как количественную характеристику «полезности» (говоря нашим языком — содержания кислорода) воздуха. Эксперимент Пристли по разложению оксида ртути и получению дефлогистированного воздуха — кислорода — датируется 1774 годом.
Как и современники, Кавендиш и Пристли разделяли флогистонную теорию горения. Им казалось, что водород Кавендиша либо сам является флогистоном, либо содержит его, а огненному воздуху (по терминологии Шееле) флогистона не хватает — именно по этой причине они активно и со взрывом соединяются от огня или электрической искры. Однако после того как Лавуазье предположил, что горение не является утерей веществом флогистона, а наоборот, соединение с чем-либо (кислородом), подтвердив свое предположение экспериментами по тщательному взвешиванию исходных веществ и продуктов сгорания.