Boyle mendukung gagasan bahwa semua zat tersusun dari atom, seperti yang dikatakan Demokritos ribuan tahun sebelumnya. Ia percaya bahwa perilaku zat bisa dijelaskan melalui gerak mekanik partikel. Ini sesuai dengan ide Galileo tentang dunia yang tunduk pada hukum matematika. Pandangannya ini akhirnya terbukti benar melalui perkembangan ilmu mekanika kuantum di era modern.
Sebagai pelopor metode ilmiah modern, Boyle menekankan pentingnya hasil eksperimen yang bisa diulang, bahan kimia yang murni, dan dokumentasi yang rinci. Ia juga menolak kekecewaan atas hasil eksperimen yang gagal. Baginya, kegagalan pun bisa membawa penemuan baru. Ia menyerukan keterbukaan dan transparansi ilmiah, meninggalkan budaya kerahasiaan ala alkimia.
Dalam bidang fisika, Boyle juga memiliki pandangan yang maju tentang panas. Ia menjelaskan bahwa panas berasal dari gerakan partikel, jauh sebelum teori kalorik dikembangkan di abad ke-18. Dalam penjelasannya, Boyle menggambarkan bahwa air menjadi panas karena partikel-partikelnya bergerak lebih cepat dan kacau.