В 1854—1856 годах исследовал явления изоморфизма, раскрывающие отношения между кристаллической формой и химическим составом соединений, а также зависимость свойств элементов от величины их атомных объёмов, а в 1860 году открыл критическую температуру.
В 1859 году сонструировал прибор для определения плотности жидкости.
В 1865−1887 годах создал гидратную теорию растворов, развил идеи о существовании соединений переменного состава.
В 1874 году открыл общее уравнение состояния идеального газа.
В 1890−1892 годах совместно с И.М. Чельцовым принимал участие в разработке бездымного пороха.
Автор ряда работ по метрологии. Создал точную теорию весов, разработал наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложил точнейшие приёмы взвешивания.