他用燃烧实验确立了化学第一定理——质量守恒定律，推动了化学定量研究的发展。
18世纪，世界各国的化学家都对物质燃烧产生了兴趣，并提出自己的看法。其中最有代表性的就是“燃素说”。“燃素说”认为物质在燃烧过程中，一定含有一种微妙的可燃的物质，即“燃素”。在燃烧时，物质的“燃素”就会跑出来，物体在燃烧前后的重量差，就是“燃素”的重量。
俄国化学家罗蒙诺索夫通过实验，纠正了这个错误观点，从而发现了“质量守恒定律”，也称作“物质不灭定律”。
他将称量过的铅屑装入一个特制的玻璃容器中，然后，将玻璃容器的颈部在火上烧熔，把容器口封死。他把该容器冷却后称其重量，然后把它放到一个大型加热炉上加热，随着加热炉的不断加热，玻璃容器壁发红了，铅屑也熔化了，光闪闪的铅溶液表面出现了一层灰黄色。待冷却后，他把整个玻璃容器又进行了称量，发现与煅烧前的重量一样，并未发生变化。然后他打开玻璃容器，称量所得的铅金属灰，可它的重量却比原来的铅金属重。
他想，要是金属中真有“燃素”，那么燃烧后放出了“燃素”，重量只会下降，怎么会增加呢？所以，他断定“燃素说”肯定站不住脚。那么，增加的重量又从何而来呢？
罗蒙诺索夫经过思索认为，金属煅烧以后重量增加是由于它在煅烧时吸收了空气。因为玻璃容器里除了金属还有一定数量的空气，一定是金属与空气中的微粒化合了（实际上是与空气中的氧化合成氧化物，但在当时氧还未被发现）。他又进一步推敲，是不是容器中的金属灰增重多少，容器中的空气就减少多少呢？
罗蒙诺索夫眼睛一亮，这是否意味着煅烧中，无论各种物质质量如何转移，其总量始终不变呢？后来，他又对其他一些化学实验进行观察测量，发现质量的改变也是如此，而且各种物理、生物现象似乎也遵循着这一规律。
罗蒙诺索夫经过大量实验和逻辑推理，证实了一条自然规律：自然界中的一切变化是这样的，一些物体所失去的东西，就是另一些物体所增加的东西。因此，如果一些地方减少一些物质，那么另一个地方就会增加一些物质。
这一规律就是后来被确立的化学第一定律——“质量守恒定律”。
质量守恒定律不仅对于任何化学反应中量的变化予以解释和指导，而且对物理、生物以及一切物质领域的变化都具有普遍意义。从此定量研究和定量分析就成为化学研究的主要特征之一。