这正是伽利略的自由落体定律：一切物体在真空中下落的速度相等，而与物体重量无关。
当他知道葛利克制成了研究气体的设备空气抽气机后，便在助手虎克的协助下，自行设计制成了效率更高的抽气泵。这种抽气泵得到的真空，被叫做“波义耳真空”。
利用自制的抽气泵，波义耳多次做了气体的体积与压力有关的实验。在波义耳之前，意大利的科学家托赛利，于1643年就做过空气有压力的实验，但未能发现气体体积与压力之间的定量关系。波义耳就是要在前人的基础上，深入探究这样的问题。
他的实验清楚而有趣地表明：气体的体积与压力是成反比的。当压力增大一倍，体积就减少一半；当压力减少一半，体积又增大一倍。这是他用多种方法、多次实验，通过细心测量得出的结论。不论在压力高于大气压，还是压力低于大气压的情况下，都是如此。这就是著名的波义耳定律，它是1662年物理学上的重大发现。1676年，法国物理学家马略特也发表了一篇论文，说明气体体积与压力成反比的定量关系。所以，这一定律也称波义耳-马略特定律。
在波义耳定律发表的第二年，即1663年，世界知名的英国皇家学会成立了。波义耳被一致选举为该会会员。这时的波义耳名声愈来愈大，到处受到尊敬。不少公司请他任职，甚至还经常应邀入宫。但是，这一切荣耀丝毫也没有引起波义耳的关注，他所全力关注的还是科学事业。这时正是他创造力的极盛时期，一篇接一篇的科学论著，不断发表出来。
1664年，他发表了《关于颜色的试验和思考》；1665年，《酸碱假设的思考》问世；后来，还出版了《矿泉水的自然史简编》。这些都是波义耳在分析化学方面的重大贡献。
紫罗兰变色引发的思考
一天，在波义耳的实验室里，一束深紫色的、非常漂亮的紫罗兰忽然冒起烟来。走近一看，原来是做实验用的浓盐酸溅到花上了。波义耳立即拿起花束，放在水里清洗。结果，魔术般的奇迹发生了！紫罗兰变成红色，成了“红罗兰”。
这一偶然发现，却引起了波义耳的认真思考：紫罗兰若遇到其他的酸溶液，会不会也有这种现象呢？如果不是紫罗兰而是其他有色植物呢？如果有色植物遇到的不是酸，而是酸的对立物——碱，又会有什么结果呢？
波义耳解决这一连串问题的惟一办法，就是实验。于是，他让助手们离开实验室，去花园、去田野搜集各种有色植物。当助手们回来的时候，实验室几乎变成一座花房。这里不仅有上好的紫罗兰，还有玫瑰、樱草、洋红、石蕊、姜黄、苏木、五倍子等等。波义耳和他的助手们先把这些有色植物的浆汁浸渍出来，再将浸液分别与酸、碱作用。有的只在酸作用下变色，有的则遇碱才改变颜色。最有趣的是，紫色的石蕊浸液遇酸变红，遇碱则变蓝。这样一来，不就可以用这些植物浸液来辨认什么是酸，什么是碱了吗？这些浸液就是酸碱指示剂。为了使用方便，波义耳还想出了用吸收浸液后又烤干的纸，来检验酸碱的办法。至今还在使用的石蕊试纸，就是当年波义耳的发明。
在这项研究中，他还进一步了解到，除酸碱反应外，还有许多化学反应可以生成有颜色的物质。利用这些颜色的变化，就可以检验更多的物质。例如，硝酸银溶液与盐酸相遇，就会产生白色沉淀（即氯化银，当时波义耳称它为“月牙”）。碳酸钾溶液（植物中的碱）与氯化汞作用，则产生黄色沉淀。铜盐溶液中加些氨水，蓝色就会明显变深，如果醮点铜盐在火上烧一烧，火焰就会呈现绿色，等等。
分析化学，就是检验分析物质的成分和含量的。波义耳的上述发现，为分析化学的发展打下了很好的基础。所以，人们都尊敬地称他是分析化学的奠基人。
一个科学家，哪怕是一个最伟大的科学家，在科学工作上，也不可能没有缺点和错误。波义耳在研究燃烧现象时所提出的“火微粒说”，就是一例。
错误的“火微粒说”
波义耳的燃烧实验，最初是同虎克共同完成的。虎克是波义耳的最得力的助手，也是一位出色的物理学家。年轻时曾在牛津基督教堂当过合唱队员，后来做科学研究工作，他研究弹性物体发现了著名的“虎克定律”。他自称发现万有引力定律比牛顿还要早。1666年伦敦大火后，他参加了伦敦的重建工作，担任测量检查员，发了大财。他把大量钱财紧锁在铁箱里，死后才被人发现。他一生发明了许多科学仪器和设备。波义耳实验室里那个可以抽真空的空气泵，就是他协助波义耳设计制造的。利用这个空气泵，不仅做了大量的气体压力的实验，从而发现了波义耳定律，还做过许多有关燃烧的实验。
硫黄在空气中燃烧，会产生蓝色火焰。可是，当用空气泵把玻璃罩内的空气抽走，硫黄受热却只见冒烟不见着火。蜡烛的火焰、氢气的火焰，离开空气也会熄灭。这说明，空气是物质燃烧不可缺少的。
但是，后来波义耳研究火药燃烧时，却发现了意外的情况。火药在真空中放置的红热铁板上，却能燃烧很久，且不发生爆炸。怎么回事？没有空气也能燃烧吗？是不是制火药的硝石中混进了空气呢？于是，他改用在真空中结晶的硝石制成的火药，得到了同样的实验结果。由此他得出的结论是：与硝石混合的物质，在没有空气时也能燃烧，是因为硝石受热时可以得到“与空气相似的活化气体”。他这里说的“活化气体”就是现在说的氧气。当时，他只是说明了燃烧需要空气或“与空气相似的气体”，但却没弄清，空气或“与空气相似的气体”在燃烧时究竟起了什么作用。
正因为如此，他不了解燃烧的本质，才导致他在解释金属燃烧后增重这一现象时，提出了一个错误的“火微粒说”。
波义耳亲自做了锡燃烧的实验，并通过称量，确知燃烧后生成的灰渣比原来的锡更重了。他认为，这是“火微粒”通过烧瓶的玻璃，被金属吸收了。在这里，他错误地把火当成了一种实实在在的有重量的物质。在他的题为《固定火焰并使之可称的新实验》论文中，就提出了这样一个公式：
金属＋火微粒＝金属灰渣
火是发光放热的一种现象，并非有重量的物质，波义耳产生这种把火看作物质的错误原因，就在于他在实验中只注意到燃烧物金属的重量变化，却忽视了在燃烧物周围的空气有没有变化。这真是“智者千虑，必有一失”。
尽管波义耳的科学观点也有错误之处，但从他一生的科学业绩来看，仍不失是一位伟大的科学家。他在化学、物理学以及哲学方面，都为人类做出了重大贡献。正因为这样，1680年，英国皇家学会推举他担任主席。但是，一向不贪求名誉的波义耳，却谢绝了这个崇高的荣誉。他所希望的是有一个平静的晚年。
波义耳的晚年
波义耳的晚年似乎比别人来得更早一些，因为他的身体素质一直不好，年轻时就经常搜集药方给自己配药。他身上还常常带着温度计，随气温的变化，及时更换衣服。他终生未婚，书和实验室就是他的生活伴侣。53岁的波义耳身体健康已有明显恶化，难以正常工作了。他不得不离开实验室，搬到祖传的庄园去住。
在庄园的日子里，他并没有完全休息。他总结自己35年的科学研究工作，写了不少著作。他还花了不少时间研究哲学和神学，而且写出一些有影响的哲学和宗教论文。
晚年时期的波义耳宗教思想日益浓厚。为研究圣经，他曾学习过希伯来语；为宗教的发展，他还资助在东方的传教活动。
1691年12月30日，64岁的波义耳在伦敦逝世，死后他留下了一大笔财产。根据本人遗嘱，这笔巨款用于举办以传播宗教为内容的“波义耳讲座”。但是，他死后留给人们的真正财富不是金钱，而是用他一生的努力所形成的丰富的科学成就。是他提出了科学的元素概念，才宣告了“炼金时代”的结束，开辟了化学作为一门独立科学的新纪元。