在克利夫顿，英国物理学家贝多斯创建了一所气体研究所，目的是研究各种气体对人体产生的生理作用，希望能由此找到一些具有医疗作用的气体，同时还有搞清楚哪些气体对人体是有害的。研究所需要一位优秀的化学家，贝多斯就聘请戴维任职。戴维研究的第一种气体是一氧化二氮。按照美国化学家米切尔的观点，一氧化二氮对人体是有害的，当任何人吸入这种气体后就会受到致命的打击。戴维并不盲从米切尔，他反复进行试验，发现一氧化二氮对人体并无害处，人吸入了这种气体后，会产生一种令人陶醉的感觉，所以戴维建议，一氧化二氮可以用在外科手术上。戴维关于一氧化二氮对人体的作用的论著在1800年出版，对一氧化二氮的麻醉作用进行了全面的评价，认为它是有历史记录以来最好的麻醉剂。从此，牙科和外科医生开始利用一氧化二氮做麻醉剂；马戏团的小丑也要在上场之前吸一点一氧化二氮，因为它对人的面部神经有奇异的作用，能使人产生意味不同的狂笑。一氧化二氮被人称为“笑气”而传播开来。除此之外，戴维还研究包括二氧化氮和一氧化碳在内的各种气体对人体所产生的生理作用。显然，研究这两种气体是十分危险的，但是戴维还是坚持做下去，并且鼓励他的弟弟约翰·戴维也来做这种冒险的实验。
戴维在进行气体研究时，在定量实验研究方面显示出很强的能力，他的容量分析实验技术是十分高明的。他的研究工作的特点是肯花强度很大的劳动，但却能以惊人的速度获得实验结果，而且在使现有仪器去适应新的课题研究方面表现出特殊的创造性。他对于重复和证明别人的发现不感兴趣，但在创新上却表现出很大的毅力。
戴维关于一氧化二氮呼吸作用的论著使他大大地出了名，从此他的化学生涯有了一个好的开端。
伏特发明电池的消息公布以后，尼科尔森和卡里斯尔报告了他们利用伏特电池将水分解成氢气和氧气。了解到这些新的发现后，戴维立即投身到这个研究领域，并发表了论文，例如1800年发表在《尼科尔森自然哲学杂志》上的“化学和工艺”一文。戴维在研究中不但利用了伏特电池这种当时先进的实验工具，而且总是保持了最清醒的头脑，探索前人在实践和理论方面是否还有不足之处。伏特一直认为电池中的电流仅仅是由于两种不同的金属接触以后产生的，但是戴维则是第一个认识到这种“接触理论”的不足的化学家，他认为电流不只是由于接触才产生的，实际上是由于电池中发生了化学反应而产生的。他还指出，在电解池中，由于电流的作用使化合物分解成为它的组分。戴维的观点在法国和德国受到普遍的重视和支持。
戴维还发现，如果在金属片之间的水中不存在着氧，电池将不能很好地发挥作用，从而得出结论，认为金属锌和铜（或银）的氧化还原反应是锌－铜（或银）电池产生电流的原因。由此进一步推论，如果在电堆中用硝酸代替其中的水或食盐溶液，电堆的效果会更好，因为硝酸的氧化性比氧气的氧化性更强。戴维还使用了将电极分别放在二个容器中的电池，使这些容器的溶液之间用润湿的石棉绳相连。
上述研究成果在1801年发表，从这里我们可以再一次看到戴维的创新精神。
在皇家学院
这一年，戴维被选入皇家学院，担任学院的讲师。他很高兴地写信给母亲：“您大概听说过隆福德伯爵和其他贵族所建立的皇家学院吧？这是一所非常华丽的建筑，只是还没有把有才能的人组织进去使它发挥突出的作用，隆福德伯爵建议我到那儿工作。”事实确实是像戴维所说的那样，自从皇家学院吸收了戴维这样的新鲜的血液以后，（后来戴维又发现了助手法拉第，把他也选进了皇家学院）才使它成为世界上最著名的科学机构之一。皇家学院的宗旨是传播知识，为大部分人提供技术训练，鼓励新的有用的机器的发明和改进，并且举行定期的讲演以宣传上述成果。在戴维任职期间，这种讲演进行得更为频繁，他本人就是一位卓越的演说家，他成功地吸引了广大的大学生、科学家和科学爱好者，其中也不乏无所事事的公子小姐来附庸风雅。于是，在很短的时间内戴维就成了伦敦的名人，而且在伦敦城里，科学变得更加时髦起来。皇家学院成了英国科学研究的中心和讲演科学的重要场所。
戴维初到皇家学院时，他的讲演都是有关技术方面的课题。1805年由于发表了一篇关于鞣革方面的论文而获得科普利桨。1802年他为农业部门作关于农业化学的讲座，一直持续到1812年，这是第一次将化学应用到农业领域的尝试，在李比希关于农业化学的著作发表以前，戴维的讲座一直被认为是农业化学方面开拓性的工作。
1806年戴维用电化学研究成果开办了贝克林讲座，内容是电解水的研究。他指出：在电解纯水时，产物只有按理论比例产生的氢气和氧气，这与瑞典化学大师贝采利乌斯所得的实验结果是一致的。但是其他研究电解水的化学家则指出，在电解水时电极的周围会出现酸和碱，而且电解时得不到按理论比例产生的氢气和氧气。戴维用自己精确的实验对上述疑问作出了回答，他指出：用在银质仪器中进行重新蒸馏过的纯水，放在金制的或玛瑙制的容器中，并在氢气气氛中进行电解（这样做可以避免新生态的氢气、氧气与空气中的氮气发生反应），只产生氢气和氧气，电解水的时候电极周围产生酸和碱的原因是水的纯度不够（其中含有盐）。在尼科尔森和卡里斯尔电解水的实验公布以后的六年之内，并无一位化学家注意到上述问题，恰恰是戴维解释了这一疑难。他还提出利用电解作为一种化学分析方法，并讨论了电解时溶液中物质的传输问题。他发现在二个杯子里分别装上电极和导电的溶液，再在第三个杯子里装入中性盐溶液，每一个杯子里都加入姜黄或石蕊指示剂，再用石棉绳将三只杯子中的溶液连接起来，则在电解时指示剂会在电极附近发生颜色变化。如果在装电极的两只杯子里加入氯化钡溶液，把盛硫酸的杯子放在它们的中间，三只杯子中的溶液用石棉绳连接起来，则在电解时，中间杯子里将产生硫酸钡沉淀，证明电解过程中物质是在传输的。
戴维是贝采利乌斯电化二元论的坚强支持者。他们把化学元素分成正电性和负电性的，只有带不同电性的元素才能化合形成中性物质，这些中性物质又能被电流极化和分解。每种元素都具有或正或负、或强或弱的电性，这决定了它们间的化学亲和力——强正电性的元素与强负电性的元素间的化学亲和力强，故非常容易化合，生成稳定的化合物。电化二元论贯穿当时的化学理论，起着基础的组织和分类作用。戴维用电解方法发现多种新元素的轰动效应，促使贝采利乌斯系统地提出了电化二元论。
电解发现多种新元素
1807年戴维在贝克林讲座中描述了分离出金属钾和钠的过程。前一年他开始采用新的电解的方法来研究化学元素。拉瓦锡曾经认为化学家关心的不是元素，而是那些当前还不能够被分解的物体。当时曾经有人将碱、苏打、钾草碱（从草木灰中提炼出来的碳酸钾）当作不能被分解的物体，但是拉瓦锡却拒绝把它们列入不能被分解的物体的名单中。受到拉瓦锡文章的启发，戴维就想用电解的方法从碳酸钾、碳酸钠和碱中离析出这些化学元素。他提出了大胆的预见：“如果化学结合具有我曾经大胆设想过的那种特性，不管物体中的元素的天然电力（结合力）有多么强，但总不能没有限度，而我们人造的仪器的力量似乎是能够无限地增大，希望新的方法（指电解）能够使我们发现物体中真正的元素。”
戴维用了250对金属板制成了当时最大的伏打电堆，以便产生强大的电流和极高的电压。开始时，他用苛性钾的饱和溶液进行电解，但是并未分离出金属钾，只是把水分解了。戴维决定改变这种做法，电解纯净的苛性钾，但是干燥的苛性钾并不导电。他又将苛性钾烧至熔化，接通电流后，阴极白金丝周围很快出现了燃烧得很旺的淡紫色火苗。戴维还是一无所获。
待他冷静思考后，判断苛性钾的确分解了，但分解产物在高温下又立刻烧掉了。他感到一阵轻松和振奋。晚上还有别人的宴请和舞会，戴维来不及换衣服，在外面又罩上一件新衣服便一阵风似的跑了。尽管实验非常紧张，但他从不耽误宴会。他优秀的口才、即刻成诗的能力在宴会上表现得淋漓尽致。别人的赞扬使他愉快。在社交中他充分享受着生活的激情。
伦敦城里到处沸沸扬扬传说着戴维分解了苛性钾，戴维却渐渐焦急起来。离贝克林讲座只有一个多月的时间了，怎样得到分解产物让大家看呢？皇家学院的创办人隆福德伯爵已于1803年和拉瓦锡的遗孀玛丽结婚而移居法国，现在支撑皇家学院的主要就是收费的贝克林讲座，这可不能出纰漏。戴维以更大的精力投入到实验中去。
1807年10月6日，伦敦大雾。戴维拿出一块苛性钾放在空气中观察，一会儿它的表面吸附了一些水分。“这不就有了导电能力？”戴维想着，马上便招呼他的助手准备实验。他们将表面湿润的苛性钾放在铂制的小盘上，并用导线将铂制小盘与电池的阴极相连；一条与电池的阳极相连的铂丝则插到苛性钾中，整个装置都暴露在空气中。通电以后，苛性钾开始熔化，表面就沸腾了，戴维发现阴极上有强光发生，阴极附近产生了带金属光泽的酷似水银的颗粒，有的颗粒在形成以后立即燃烧起来，产生淡紫色的火焰，甚至发生爆炸；有的颗粒则被氧化，表面上形成一层白色的薄膜。戴维将电解池中的电流倒转了过来，仍然在阴极上发现银白色的颗粒，也能燃烧和爆炸。戴维看到了这一惊人的发现，欣喜若狂，竟然在屋子里跳了起来，并在他的实验记录本上写下了：“重要的实验，证明钾碱分解了。”他把笔一甩，本上流下了一大团墨迹。
后来戴维在密闭的坩埚中电解潮湿的苛性钾，终于得到了这种银白色的金属。戴维把它投入水中，开始时它在水面上急速转动，发出嘶嘶的声音，然后燃烧放出淡紫色的火焰。他确认自己发现了一种新的金属元素。由于这种金属是从钾草碱（potash）中制得的，所以将它定名为Potassium（中译名为钾）。后来他又用电解的方法制得了金属钠、镁、钙、锶、钡和非金属元素硼和硅，成为化学史上发现新元素最多的人。
戴维在电解石灰和重土（BaO）时遭到了多次失败，因为石灰和重土的熔点分别高达2580℃和1923℃，这么高的温度下钙、钡一旦出现便马上燃烧。1808年5月，戴维收到了贝采利乌斯的一封信，信中提到他和瑞典国王的御医曾将石灰和水银混合在一起电解，成功地分解了石灰；他们还用这种方法电解重土制得了钡汞齐。在贝采利乌斯的启发下，戴维把潮湿的石灰和氧化汞按3∶1的比例混合，放在白金皿中电解，制得了大量的钙汞齐。他小心地蒸去汞，从而在化学史上第一次得到了纯净的金属钙。
“氧化盐酸”不是化合物
在研究碱金属和碱土金属的过程中，戴维又遇到了另一个疑难问题，他发现碱乃是一种氧化物，但是如果要把酸说成是含有氧，却使他感到困惑不解。他早就了解到拉瓦锡的酸的含氧理论，拉瓦锡认为氧是酸性的起源，一切酸中都含有氧。到底是大化学家拉瓦锡错了，还是戴维对于酸的认识不正确？
戴维在研究碲的化学性质时发现碲化氢是一种酸，但是它并不含有氧，使他开始怀疑氧是否存在于所有的酸中。为了寻找更多的证据，戴维开始研究起盐酸。按照拉瓦锡的观点，1774年，舍勒用盐酸与二氧化锰作用制得的一种黄绿色的新气体是氧化盐酸，而盐酸是由氧和另外一种未知的基所组成的，氧化盐酸则是由这种基与更多的氧化合而成的。但是戴维想尽了一切办法也不能从氧化盐酸中把氧夺取出来。他说：“即使木炭被伏打电堆烧成白热状态，也不能使氧化盐酸气发生任何变化，我多次重复这种实验，结果都是一样，因此我怀疑这些物质中是否存在着氧。”
法国物理学家、化学家盖·吕萨克和泰纳也进行了同样的实验，认为氧化盐酸中并没有氧，相反的，氧化盐酸可能具有元素的本性。但是他们又坚信大化学家拉瓦锡的观点是没有错误的，所以虽然他们已经打开了发现氯是一种化学元素的通道，但是结果还是无所创造。只有戴维宣称，只要不存在水，氧化盐酸所发生的一切反应都不会产生氧，他认为最好把氧化盐酸看成一种不能被分解的物质，他认为事实表明了拉瓦锡和法国化学学派所持的见解，表面看起来很漂亮，也能令人满意，但是从现在已经掌握的知识来考察，它不过是建立在假设的基础上的一种理论。于是戴维以无可辩驳的事实确认所谓的“氧化盐酸”绝不是一种化合物，而是一种化学元素，他将这种元素命名为Chlorine（中译名为氯），意为黄绿色的。他认为氯和氧一样都可以助燃，氧化反应不一定非要有氧气存在，他还指出所有的放热反应都是氧化反应。戴维的这些观点非常出色地发展了拉瓦锡的燃烧的氧化理论。
“最伟大的发现”
当我们惊叹于戴维敢于突破权威、尊重事实、富于创新的精神时，当贝克林讲座的听众们为戴维不断的发现所折服、嘘叹不已时，戴维的健康却在透支。疯狂地工作使他十分衰弱。就在这次贝克林讲座前，他应邀到监狱考察流行的伤寒病，自己却受到了感染。贝克林讲座之后他再也撑不住了，在医院里几经抢救才渐渐恢复。这期间来探望的人络绎不绝，院方只好在大门口挂一个告示牌，每天公布戴维当天的病情。
出院后戴维在家疗养。这一天他收到一封信和一本368页装帧精细的书，书的封面写着：戴维演讲录。书中却是手写体，还有许多精美的插图。信中写道：“我是印刷厂装订书的学徒，热爱科学，听过您的四次演讲。现将笔记整理呈上，作为圣诞节的礼物。如能蒙您提携，改变我目前的处境，将不胜感激。——法拉第”
戴维看了感慨万分，联想到自己的身世，他马上给法拉第写信，约他一个月后会面。