他从1768年10月24日开始加热，日夜不熄，连续加热到第2年的2月1日，也发现在容器底部积存有固体物，但整个质量同加热前并没有什么变化。这就明确认识到，在加热过程中，既未从器外进入任何物质，也未从器内逸出什么物质。当称量鹈鹕器时，发现它的重量略有减少，而水的比重则略有增加。可以设想，这是由于玻璃容器的一部分溶于水中了。在把水完全蒸干以后，果然发现有一些残存的固体物质。把它和先前在鹈鹕器底积存的固体物质合在一起，其重量几乎恰好等于鹈鹕器所减少的重量。据此拉瓦锡断定，并不是水本身变成了固体物质，而是由于水在长时间加热的过程中溶解了容器（一部分），并以固体的形式出现的。
这就是拉瓦锡研究方法的梗概。他在研究中对于哪怕是一丝一毫的微量也从不疏忽，尽可能地做到细致和精密，扎扎实实的一步一步前进。这就打破了历来研究方法的模式，出现了他的独特的闪烁着崭新时代光辉的方法。
这也就为他以后的研究方法定下了基调。（舍勒也做过试图说明水不能变成土的实验，也是把纯水放在容器中进行长时间的加热，然后收集残存的固体物，并做过分析，发现容器的一部分溶于水中了。但是他没有注意到重量的变化，只是专一地研究了质的方面。相反拉瓦锡却只是专一地探究了量的方面，并没有着重分析残存的固体物质是什么。把这两个人的实验方法对照一下就会感到是挺有意思的。）
气体反应体积定律
1805年，法国的盖·吕萨克在实验中发现，100体积的氧充分反应需要199.89体积的氢，即所需要的氢的体积几乎恰好是氧的二倍。这个极其简单的体积比，引起了盖·吕萨克的浓厚兴趣。为了确认其他许多气体反应是否也存在同样的关系，他做了进一步研究。他亲自做了许多实验，而且对他人的实验结果进行了计算，并最终发现了气体反应体积的定律：在气态物质的反应中其体积总保持着简单整数比。如果反应后的产物是气体，其体积也保持着简单整数比。当然，不用说这些体积都是在同温同压的条件下进行比较的。
有关这一定律的重要实验例证如下：
1.氧+氢水
100体积200体积（在以水蒸气状态存在时测其体积恰是200体积）
2.氯化氢+氨氯化铵
100体积100体积固体
3.亚硫酸气+氧硫酸酐
200体积100体积200体积
4.氧化碳+氧碳酸气
200体积100体积200体积
以上均是根据盖·吕萨克本人的实验结果。
5.氮+氢氨
100体积300体积200体积
这是根据贝托雷（Berthollet）的实验（1785年）。
6.氮+氧
200体积 100体积……氧化二氮（200体积）
100体积 100体积……一氧化氮（200体积）
100体积 200体积……二氧化氮（200体积）
这是根据戴维（Humphry Davy）的实验。
可以看出，不论在任何气体之间进行相互作用，都保持着这种简单的体积比。这不能不使人感到有些不可思议。无疑其中是存在着什么重要的原因。如果从简单比例来说，就很容易使人联想到道尔顿原子学说的内容。道尔顿曾经说过，元素和元素相化合时，原子数的比例总是保持着简单的比例如1∶1或1∶2等。
当把这些想法综合起来加以考虑时就可以产生一个看法：任何气体在相同体积中都含有相同数目的原子，即所有气体的原子密度都是相同的。如果把这个想法同过去发现的气体定律如所有气体都同样地受着压力的影响（波义耳定律，1662年），所有气体随温度的升高或降低所产生的膨胀或收缩都是相同的（盖·吕萨克定律，1802年）等加以对照时，就越发觉得这是一个正确的假说了。这就是当时在盖·吕萨克的脑海中所浮现出来的想法。
当时，人们曾经认为这是一个很有希望的假说。但当再做深入研究时，漏洞就出现了。比如用反正法来证明：如果这个假说是真实的话，那么在氧和氢化合成水蒸气时，1个体积的氧相当于含有1个氧原子，则2个体积的氢就相当于含有2个氢原子，所生成的2个体积的水蒸气就相当于含有2个水的复杂原子。这样，1个水的复杂原子也就必然是由1个氢原子和半个氧原子所构成的。而根据原子学说，原子是不可能分裂为两半的。
事实上，还不仅限于这种反应。一般说来，凡是1个体积的气体元素能够生成1个体积以上的气体产物时，就总会碰到这种同样的矛盾。因此，尽管这一假说看来似有道理，但是由于和原子学说发生了矛盾，就不能被采用了。如果要想使这一假说有效，就势必要把原子学说陷于被彻底修正的困境。
这个矛盾是由道尔顿提出来的。实际上，道尔顿在建立原子学说期间自己就曾提出过这个假说，自己就发现了矛盾，然后自己又放弃了这个假说。而这同样一个假说，如前所述，却又在盖·吕萨克的脑海中浮现出来。
这个假说能否生效，原子学说能否被修正？如果要修正原子学说，道尔顿当然是坚决拒绝的。
出乎意料的是，对于这一矛盾的巧妙解决，却是来自意大利的物理学家之手。这就是阿佛加特罗提出的分子假说。
原子学说的发现
原子学说，如前所述，早已经由古希腊的哲学家论述过。根据文献记载，留基伯（Leucippus）的原子学说，实际上更莫如说是他的高徒德谟克利特（Democritus，公元前460-前361年）的原子学说，是最古老和最著名的。依照他的学说，万物是由原子所构成，原子（atom，或atemno）意即“不可再分”的物质，也就是不论用什么方法也不能再分割的最小的微粒。原子用肉眼是看不见的，且永远不变，不能毁灭，并经常处于无休止的运动之中。原子的种类多样。它在大小、形状、结合方式上可有种种差别。同一物质的原子均相同。不同物质是由不同原子所组成。例如灵魂的原子就是一种非常小、圆而光滑的原子。
这个学说曾经由提倡“快乐主义”而著名的希腊哲学家伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前342-前270年）和罗马诗人卢克莱修（Lucretius，公元前98-前55年）等人做了进一步传播。它是同恩培多克勒和亚里士多德等人所主张的连续学说相对立的。后者认为物质是可以无限分割的，从而也就不可能存在原子一类的东西。这样原子学说就在同这种反对学说的斗争中延续了几个世纪，直到得到了弗朗西斯·培根、伽里略、波义耳和牛顿等人的有力支持，才在18世纪末叶几乎风靡了整个科学界。然而此时的原子学说，仍然也只是一种臆想的产物，是一个根基脆弱的假说，还未能有任何事实来确证原子的实际存在。而且长期以来还认为它是不可能由实验来确证的。
然而，这个已经流传了2200年的原子学说，它的再生时机终于来临。这就是由于道尔顿的倡导而带来的新生。
道尔顿研究了气体的各种性质。为了说明不同气体在水中溶解度的差别，他认为各种气体都是由无数的微粒所构成的。那么是不是由于粒子大小的不同而造成了溶解度的差别呢？为了解决这一问题，他以此为开端进行了研究，并最终导出了原子学说，完成了他的杰出贡献。他在1803年时就已经得出了原子学说的基本要点，但是直到1808年才公开发表于世。
道尔顿原子学说的主要点是：
1.所有物质都不能无限分割，都要达到一个最后的极限。这个极限的微粒，依照自古以来的说法，就叫做原子（atom）。
2.原子的种类很多。各元素都有各自特有的原子。同一元素的原子，性质完全相同，质量相等。不同元素的原子，性质不同，特别是质量不同。
3.化合物是由其组成元素的原子聚集而成的“复杂原子”。在构成一种化合物时，其成分元素的原子数目保持一定，而且保持着最简单的整数。
此外，道尔顿还设想所有元素的原子均为球形，并以其所制造的模型来表示各种化合物（复杂原子）的结构。下面列出的就是其中的一部分：
道尔顿认为，在元素与元素形成化合物时原子数目都是最简单的。然而，他的想法却是有些过于简单了。正如在上例中所见到的那样，他把水和氨都当作是由两元素的各一个原子所组成，显然是错误的。
如果仅从上面所叙述的来看，道尔顿的原子论似乎同古希腊的原子论也没有多大的区别。但是，它强调了原子的质量则是最突出的特点。这一学说的真正价值，可以从能够详细说明它的实验事实的密切关系中得到认识。
道尔顿做为一个新原子学说的提出者，不管是出于职责，还是出于满足自己的科学兴趣，他都是果敢地着手进行了各种原子量的测定。测定原子量，这恐怕是自古以来人类要实现的一个最勇敢的创举。当时，他所测定的原子量当然还不是原子的绝对重量，只是以最小的原子量即氢的原子量为标准所测出的相对值。
这个重量还是比较容易测出的。例如，对于氧和氮来说，它们的原子量经过道尔顿的确定分别是7和5（以氢的原子量做为1）。这样的确定是根据以下的事实，即道尔顿发现在氧气和氢气化合成水时，是由7克氧气和1克氢气生成8克的水；在氮气和氢气化合成氨气时，经过道尔顿对氨气的分析后得知二者的重量比为5份氮和1份氢。根据道尔顿的假定，无论是水还是氨，都是由构成元素的各一个原子组成的。这样，如果1个氢原子的重量是1的话，则就可以确定一个氧原子的重量为7，一个氮原子的重量为5。
根据这样的想法，道尔顿测定了当时已知的20种普通元素的原子量，同时还测定了许多普通化合物的复杂原子的原子量。但是，遗憾的是，结果并不怎么好。因为正确的结果应当是氧的原子量为16，氮为14。道尔顿之所以会产生这样大的错误，如前所述，主要是由于把水和氨的组成都看得过于简单了。另外，假如就算没有这个误差的话，道尔顿也应当把氧的原子量定为8，氮的原子量定为14/3＝4.7才是。出现这一错误的原因是由于当时的分析方法还比较落后，同时也由于道尔顿还不是一位很优秀的化学分析家。
道尔顿所测得的原子量的数值，尽管是如此粗糙，然而毕竟还是化学家最早测出的原子量，是值得重视的。特别是还能为定量地探索化学变化的规律最早提供了依据。从这一点来看，道尔顿的伟大功绩是永远值得人们纪念的。
道尔顿原子学说的重要特点就在于它能够同实验事实密切相联系。这是什么意思呢？这就是说，在化学变化的过程中参加反应的物质的重量之间存在着规律性的关系，而这种关系正可以由原子学说得到简单而明确的说明。这也就是道尔顿原子学说高于古代的原子学说的一个所在。