Langkah besar Boyle dimulai ketika ia bertemu Robert Hooke di Oxford. Bersama, mereka menyempurnakan pompa vakum dan mulai meneliti sifat-sifat udara. Dari sinilah muncul “Hukum Boyle” yang terkenal—menjelaskan bahwa tekanan dan volume gas berbanding terbalik. Ini menjadi hukum gas pertama dalam sejarah sains, dan menjadi dasar dari ilmu fisika dan kimia modern.
Dalam eksperimennya, Boyle juga menunjukkan bahwa suara tidak dapat merambat dalam ruang hampa, namun cahaya dan gaya magnetik tetap bisa. Ini adalah penemuan besar yang menunjukkan bahwa tidak semua gaya fisik bergantung pada medium seperti udara. Ia juga membuktikan bahwa hanya sebagian dari udara yang mendukung pembakaran, meski saat itu oksigen belum ditemukan.
Puncak pencapaian Boyle dalam kimia terlihat pada karyanya The Sceptical Chymist (1661). Buku ini menolak pandangan kuno tentang unsur seperti tanah, air, udara, dan api. Boyle memperkenalkan definisi ilmiah unsur, senyawa, dan campuran. Ia juga mencetuskan istilah “analisis kimia” dan mendorong kimia menjadi ilmu yang berbasis angka dan eksperimen, bukan mistik.