于是，他把斯宾斯请回家作了一番长谈，还出高价买下了他做表演的所有实验设备。然后，他带着这些设备回到费城，并把它们摆在自己的新居的实验室里。在这个实验室里，有着各种仪器和做实验的用具。富兰克林就是在这里进行了长期的科学研究。
富兰克林请人买了莱顿瓶，然后，模仿斯宾斯的方法，进行了一些实验，观看他表演的有家人，还有共读会的一些成员，以及一些朋友。他们对神奇的电荷充满惊奇，纷纷鼓励富兰克林继续研究下去。
经过一段时间的实验和研究，富兰克林有了很多惊奇的发现。
1734年，法国人杜弗尼发现摩擦玻璃和胶木棒产生的电是不同的，因而提出电分为“玻璃电”和“树脂电”。而富兰克林经过实验后认为，电的本质只有一种，它是单一的流体，摩擦不能产生电，只能将电从一个物体上转移到另一个物体上，因为每个物体都是带电的。
他在实验中还发现，莱顿瓶内外两边，一边得到电，一边就失去电，但电的总量不变，并且发现莱顿瓶外边的金属箔上所带的电荷，与电瓶里边的电荷正好相反。他认为，带电体具有正负之分。这样，他是世界上首先提出正负电荷概念的人，为今后的电学研究提供了理论基础。
1751年，他的有关电学的理论专著《电的实验与观察》出版了，在世界上引起了轰动。富兰克林的名字将永远与电学放在一起。后来，国际物理学界为了表彰富兰克林在电学方面的杰出贡献，而将他的名字命名为电量单位，即：真空中一个电荷与距它1厘米处带同种电的电荷的相斥力达到1达因时，该电荷电量为1富兰克林，等于现在通行电量单位的1/3·10-9库仑。
在电学研究上取得了一定成就后，富兰克林联想到自然界中的闪电是否与人工放电相同呢？为此他做了长期的观察研究。他对人工放电的实验做出以下总结：①发光，②具有光的颜色，③方向弯曲，④金属传导，⑤能发出噼啪响声，⑥能在水中传导，⑦能融化金属，⑧引燃易燃物，⑨击杀动物，⑩有硫磺味，移动迅速。人工放电电流受尖头物体吸引，由此他考虑到，闪电也有电的性质，雷电也能击中建筑物，那么放一根尖头的铁条，是否能把电从建筑物上引下来，从而避免雷电的相击呢？如果这一理论成立，那么从此以后教堂、楼房、船舶都可以安装这样一根金属条用来导电而免遭雷击。
富兰克林进行了大胆设想，并决心通过实验来加以证明。
一天，富兰克林将几只莱顿瓶串联起来，以加大电量，以便观察电流在短路情况下的放电现象，他还拿来一只母鸡，准备用来电杀。当他一只手握着电瓶顶部的电线，另一只手握在两只电瓶相连的一根链子时，随着一道耀眼的光亮，接着发出啪的声巨响，富兰克林当即被击倒在地，身子剧烈地抖动。过了很长时间，他才清醒过来，对周围的家人和朋友说：“我见到了上帝！”
这次意外的事故，使他得出结论，串联起来的电瓶能产生巨大的电流。同时，他由被电击发出的声音联想到闪电，认为两者是相同的。为此，他决定做一项大胆的实验。
1752年6月的一天，天空乌云密布，预示着一场暴风雨即将到来。富兰克林和二十一岁的儿子威廉带着一个巨大的风筝来到了费城郊外。风筝是用丝绸做成的，骨架是用木条做成的十字形架。富兰克林在风筝上端固定了一根尖头粗线丝，在风筝线下端系着一把铁钥匙。他想用风筝把雷电引下来，以前，他也做了几次类似的实验，结果没有成功。
这次，听着远处隆隆的雷声，富兰克林心中充满希望。他和儿子在雨中迅速把风筝升上天空，然后焦急地等待着。
一团乌云飘来，风筝在天空飘飞。富兰克林看了一下手中的风筝线，忽然发现线上的绒毛纤维在抖动，相互排斥状地竖了起来。富兰克林意识到这是放电了，心中一阵惊喜，禁不住用手去摸那把钥匙，结果，“哧”的一声，手指与钥匙间放出了一串电火花。于是，他高兴地叫过儿子，将电引入电瓶中。
这次实验，揭开了雷电神秘的面纱，证明了闪电是一种放电现象，它和实验室里的电火花是一样的。实验成功后，富兰克林撰写了题为《论闪电与电气之相同》的论文，并将论文寄给了英国皇家学会。不料，却遭到了皇家学会的冷遇。
富兰克林对此毫不介意，他依然做着自己的实验。他决定给建筑物做一种避雷的实验。他在宾夕尼法亚学院和政府大厦的顶部安装了避雷装置。即，将一根尖头铁棒固定在建筑物顶部，让它高出建筑物九英尺，再用一根铁丝与铁棒相联，然后将铁丝引入地下。这样，闪电被尖头金属体吸引而进入地面，从而不使建筑物受损坏。
他还建议在船上安装这一装置，只要在船的桅杆的顶端安装尖头铁棒，用金属线联结，并将线导入水中，同样可使船免遭雷击。
后来，人们称这种尖头避雷装置为避雷针。避雷针的发明，使许多建筑物免遭了雷击破坏，可以使船安全地航行在海洋上。
然而，英国皇家学会对富兰克林的发现一直采取冷漠态度。他们甚至认为，这种原本很简单的发明不应出自北美殖民地人的手中。况且那种尖状的东西也不美观，因此有人主张将避雷针做成球形，不料，安装这种装置的建筑物却遭到了雷击。事实证明，富兰克林的发明是正确的。英国皇家学会在事实面前不得不改变态度，他们承认了他的发明，给予他最高奖励——戈弗雷·科普利奖章，并接纳他为学会会员。
此后，富兰克林尽管主要从事政治活动，然而，他从没有放弃过在科学方面的追求。他在科学方面取得了巨大成就，获得了许多崇高的学术荣誉，并给人类社会带来了巨大的财富。
转入仕途
幸福的婚姻生活是富兰克林事业成功的基础，而与别人的合作使他的事业得以迅速发展。
1731年，南卡罗莱纳州议会投票决定：设立一笔价值一千英镑的奖金，鼓励一名印刷商到那里去干。9月间，富兰克林与怀特马什合作，将一个印刷车间所需要的全部工具用船运到查尔斯敦，他俩共同使用那笔奖金，在那里从事印刷行业。1733年9月，怀特马什病亡，富兰克林让另一名印刷工人去接替他的工作。这人名叫蒂玛泰，是一名法国的新教徒，曾到过荷兰，并在那里与一位荷兰妇女结了婚。他学识渊博，诚实廉洁，熟悉业务。他上任前，与富兰克林签订了一份合伙合同，合同规定：富兰克林支付六年合作期间的全部费用的三分之一，分享利润的三分之一。遗憾的是，他并不熟悉会计的业务，尽管他常常汇钱给富兰克林，富兰克林却看不到账目。关于他们合伙经营的详细情况，直到他死去，富兰克林也没有闹清楚。他死后，他的妻子接手了印刷所的工作。她曾接受过传统的荷兰教育，其中记账的知识是妇女教育中必不可少的一部分。她不仅把能找到的以前的账本送给富兰克林，而且在以后的时间里，每季都按时给他寄去十分准确的账目。她经营有方，到合同期满的时候，就把印刷所从富兰克林的手中买了过去，交给他的儿子独自经营。
通过这件事，富兰克林感到青年女子也很有接受教育的必要，对她们来说，这些比学习跳舞和音乐要实用的多。可以使她们少受别人的欺骗，并具备经商的能力，经营商店以赚得钱财，来养家糊口，抚养子女，从而发家致富。
富兰克林的买卖越做越大，也越做越好做，家庭的经济状况也得到了明显的改善。那时候，《宾夕法尼亚报》是本州和邻近各州唯一的一种报纸，发行量很大，为富兰克林赚了不少钱。“在获得了第一个一百镑以后，再去赚第二个一百镑就容易得多了。”富兰克林深深地体会到了这句话的正确性，同时也明白了这样的道理：金钱本身具有繁殖能力，用钱赚钱更容易。
在卡罗莱纳，富兰克林与人合伙经营印刷所成功之后，他受到鼓励，并打算挑选一些品行端正的职工，到各州去开办印刷所。也按照卡罗莱纳合伙条款的式样，签订合伙合同。
1736年，富兰克林被选为南卡罗莱纳州议会大会的秘书，这是他生来第一次得到升迁。在这次的选举过程中，没有人投富兰克林的反对票。秘书的任期和议员的任期一样，都是一年，每年改选一次。在第二年的选举中，富兰克林也是候选者之一。这时候，一位新议员在议会上发表了一大篇反对富兰克林的演说。目的是为了攻击贬低富兰克林，达到帮助别人选举的目的。但这些并没有产生太大的影响，富兰克林还是当选了。
对自己的这一职位，富兰克林感到很满意。因为除了较高的薪水外，这个职位使他有更多的机会与议员们保持联系，能够承揽到印刷选票、法典、纸币和其它方面的生意，而这些生意的利润又是很高的。
那位议员是一位家庭富有、学识渊博的人，凭他的聪明才智，将来在议会中会成为举足轻重的人物。富兰克林不愿和他把关系闹僵，使他成为自己的对立面。想和他搞好关系，又不愿意卑躬屈膝地去讨他的欢心。怎么办呢？他忽然心生一计，他听别人说，议员的家中有一本书，特别珍贵而稀有。于是他就给这位议员写一封信，说他想看一下这本书，并希望能借给他。很快的，那位议员就把书寄来了，一周之后，富兰克林又把书寄还给他，并在书中夹了一封信，对他的帮助表示十分的感激。这样，当他们再在议会中见面时，就十分礼貌地打招呼，亲切地交谈。最终成为一对好朋友。在各方面，都给了富兰克林很大的帮助。这就是富兰克林的处事哲学：假如一个人帮了你一次忙，那么以后他会比受过你恩惠的人更乐意帮助你。对于私人之间的怨恨，不要攻击和报复，应当采取措施，把它们消除掉，化干戈为玉帛。
1737年，费城邮政局长因账目不清，玩忽职守被革职查办。富兰克林接任了这一职务。虽然这一职务的薪水并不是很多，却能使富兰克林消息灵通，信件的往来也便利了不少。他让邮差发送报纸，改变了报纸的传递方式，使订户猛增，报纸上的广告数量也增加了不少。在与对手的竞争中，使他不战而胜。由于他的前任是因账目不清而被革职的，所以富兰克林在这方面特别认真，并以此教育年轻人，当一个人受雇于人，为别人经营业务时，一定要做到账目清楚，在小事上也要一丝不苟。如果他品行端正，又具有多种美德，一定会找到比较满意的工作。
富兰克林的注意力慢慢转移到公众比较关心的问题上。为了避免各种财产不必要的意外损失，他着手实施一项计划来控制火灾这个对财产来说最凶恶的敌人，那就是成立一个消防队。
在他回波士顿探亲的时候，看到那里的防火措施比费城好得多。回来后谈及此事，别人也同意他的观点，以波士顿为榜样，建立消防机构。因为自建立这个机构以来，波士顿还没有发生过火灾。
消防设施完善了，接着便是社会治安问题。城市的巡夜制度是有待整顿的事情之一，富兰克林认为原来的一些制度十分不合理。它是由各个管区的警官轮流负责，警官提前通知某些户主，让他们在夜间值班。那些不愿意参加巡夜的人，每年交给警官六先令，就可以免除这一差役。这些钱本应该是用来雇人巡夜的，实际上远远超过雇人所需的数目，所以警官的职位便成为美差。而警官为了贪一杯酒的便宜，常常召募一些无赖之徒作巡夜人，那些品行端正的户主都不愿与之为伍。这样，那些值班人员在夜间经常不去巡逻，大多数夜晚都以酗酒的方式度过。富兰克林写了一篇文章在共读会里宣读，指出这些不正当的行为，并着重强调了警官收取六先令款项的不当之处，他说，不考虑交纳者的家庭经济状况，一律收取六先令是不平等的。如一个穷苦的寡妇，她所需要保护的财产的总价值也不会超过五十镑，可是她却要和那些家财万贯的富豪交纳同样多的钱。富兰克林提议，这笔钱应合理分摊。还要挑选合格的警卫人员，完成他们的任务。
富兰克林还参加了共济会的一些活动。1731年2月成为共济会员。1732年拟定了支部细则，并当上了委员会委员，圣约翰支部的理事长。1735年任支部书记。1749年被选为总理事长。他在共济会中的活动一直非常活跃。1743年5月，他写了一封信寄给许多会友，并让他们互相传阅，建议各共读会联合起来，成立美洲哲学会。费城将成为学会的中心，除去主席，财务主管和秘书以外，将一直拥有固定的七名会员——一位医学家、一位植物学家、一位数学家、一位地理学家、一位自然科学家和一位机械专家。费城的会员们每月举行不定期聚会，探讨科学方面的问题，研究外地会员寄来的报告或回答他们的咨询，将每个季度有价值的书摘寄给那些每年交一枚银币的会员。
哲学会研究的主要内容如下：所有新发现的作物、草药、树木的特性和用途，繁殖它们的方法，推广普及稀有植物的方法；植物液汁的加工利用，如苹果酒、葡萄酒的制做；治疗或者预防疾病的新方法；研究不同地区所发现的矿石，如煤矿、铁矿和石矿等等；数学领域的新问题；化学方面的新发现，如提纯、酿造及化验的新方法；能够节省劳动力的机械发明，如风车和车辆，用来提升、灌溉用的输水设备；研究制作测量图表、地图；河流的走向，湖泊和山脉的位置，土壤和作物的品质；改良动物品种的方法；进行一系列的科学实验，揭露事物的本质，为人类的生活提供方便和乐趣。