波义耳正是在收集答复李纳斯批评的实验论据时，发现了气体的压强和体积之间的比例关系。这就是波义耳定律。
波义耳用一根J形管做实验。管子短的一端是封闭的，长的一端是开口的。他往J形管里灌水银，水银顺着玻璃管流下去，但是不能升到短的一头的顶端。因为里面的空气，给堵在那一头了。
开初，长管和短管中的水银面，在同一水平上，波义耳知道，这时候，水银柱两端的压强相等。长管开口的一端，水银面上所受的压强就是大气压，它大约是76厘米水银柱高。波义耳仔细测量了短管中被封住的那段空气的体积。因为玻璃管的粗细是均匀的，所以可以用短管中的空气的长度来表示体积。他记下的数据是48小格。
然后，波义耳不断往长管里加水银，封闭在短管中的空气体积就越来越小。波义耳惊喜地发现：当长管中的水银柱液面，比短管中的水银柱液面高出大约76厘米，也就是压强比原来加大一倍的时候，短管中的空气恰好从48小格缩小到24小格，正好缩小到原来体积的一半。
波义耳继续往长管中灌水银，发现压强为大气压3倍的时候，短管中的体积就缩小到16格，是原来的1/3。
这样，波义耳就把他的实验结果，归纳为一个公式：在温度不变的条件下，一定质量的气体的压强，跟它的体积成反比。这就是著名的波义耳定律。
波义耳通过周密、精细的实验，发现真理，证实真理，批驳了李纳斯的错误观点。他的实验方法，使当时科学界耳目一新。
波义耳始终如一，保持求实精神。他总是老老实实地写出实验中的成功和失败，开诚布公、直言不讳的报告每一件事。即使在小事上，他也注意到不要违反事实。当他的第一部著作《手动机械的新实验》发表后，人们都称他研究真空所用的泵为波义耳泵。等这本著作再版的时候，他实事求是地说明，这个泵主要是胡克完成的。
波义耳的《手动机械的新实验》出版后，不仅科学家谈论真空和空气的弹性，就连英国国王，也要求波义耳给他作一次私下的表演。朝廷要授予他贵族称号，教会要给他安排一个显赫高位，但是他对这些都不感兴趣，婉言谢绝了。他唯一的爱好是科学实验。
1661年，波义耳发表了他最著名的著作《怀疑派的化学家》。
在波义耳那个时候，还没有真正的化学科学，只有一种行业叫做炼金术，从事炼金术的人叫做炼金术士。炼金术士企图变铅铜为金银，变普通金属为贵金属。这种想法是不可能实现的。但是，从11世纪到17世纪，炼金术士还是为人们增添了很多化学技术知识。他们从天然矿石中提取金属，发现药材，制造玻璃，蒸馏酒精，配制药品。他们掌握了不少实验技术，认识了贵金属和其他一些物质的性质，研究出了配制和使用盐酸、硫酸和硝酸的方法。
炼金术以古希腊四元素论为依据，它的指导思想是错误的。四元素论认为：世界上所有的物质，都是由土水气火四元素组成。炼金术士根据四元素论，以为只要改变物质中的这四种元素比例，就能使普通金属变成贵金属。这使他们走上了迷途。
波义耳看到了炼金术士的荒谬之处。他通过多次实验，知道铁是铁，金是金，不可能用火一烧，铁就变成了金。他认为：把一个理论建立在概念上是十分危险的。
波义耳用实验批驳了炼金术士的错误，第一个提出了科学的元素概念，使化学的发展走上了正确的道路。他的第一部化学著作取名为《怀疑派的化学家》，就是表示他对传统的四元素论的怀疑。
在这一本书中，波义耳大胆提出了什么是元素，什么不是元素的看法。他说：“元素是确定的、实在的、单一的纯净物质，用一般的化学方法，是不能把元素分解成更简单的物质的。假使某种物质能分解成更简单的物质，或者能转化为其他物质，那么，这种物质就不是元素。”波义耳抛弃了各种错误见解，给元素下了一个明确的定义。
由于历史的限制，波义耳没有解决怎样得到元素和元素有哪些种这两个问题。但是，他从实验中已经得出结论：元素肯定不是只有三四种，而是有许多种。
波义耳提出了正确的元素概念，他被公认为近代化学的奠基人。
在波义耳的基础上，法国科学家拉瓦锡，给元素下了更明确的定义：元素是一种不能再分解的单一物质。
波义耳每天早上很早就到实验室或者图书馆去了，在那里做实验，看书，写字，给皇家学会写报告。晚上，他在蜡烛光下读书，直到深夜。眼睛变坏以后，就请助手念给他听。这个文弱的高个子学者，总是不顾有病的身体，不停地学习和工作。
波义耳兴趣广泛，有孩子般的好奇心和不倦的探索精神。
他描述过，把铜盐放在火上，火焰就成为绿色；氨和硝酸或者盐酸相遇，就会形成白色的烟雾。
他注意到，用加银盐溶液的方法，可以测试出氯化物。如果有氯化物存在，加入银盐溶液，就会产生白色的氯化银沉淀。
他还注意到，一张浸泡过石蕊浸液的蓝色纸条，碰到酸就会变成红色，碰到碱又会变成蓝色。他指出，一些植物的液汁，可以用作确定酸性、碱性或者中性的指示剂。
波义耳为化学定性分析，作出了重要的贡献。
大约在1669年，一个名叫勃兰特的德国炼金术士发现了磷。化学家肯格尔听到这个消息，很想知道制造这种能发光的稀奇物质的方法，就到汉堡向这个炼金术士请教。但是，他遭到了拒绝。
后来，化学家克拉夫脱也去找这个炼金术士，想了解制磷的方法，同样遭到拒绝。他们只能自己去探索制取磷的奥妙。
1680年，克拉夫脱带着磷的样品访问英国时，向波义耳透露人体中就有磷。波义耳仔细考虑了克拉夫脱的暗示以后，认定人体中能产生磷的部分，是骨头、尿和头发。于是，他着手研究这个问题。
波义耳花了一年多时间，经过反复摸索、试验，终于从人尿中提取出来了磷。在《关于冰冷的夜光的新实验和新观察》一文中，他谈到了不少有关磷的性能，引起了科学界的注意，被公认为独立发现磷的人。
波义耳把自己的发现，原原本本，老老实实，全部公之于世。他十分厌恶知识保密，认为这种愚蠢幼稚的坏习气，是妨碍科学成长的巨大障碍。他一辈子同它进行斗争。他提倡，各种成果和情报共同使用，分歧观点公开讨论，并且要使用简单明白的语言。
科学的进步，不能只靠一个人努力，必须允许在别人的研究基础上前进才行。波义耳言行一致。他有什么新发现，就尽快公开发表，供大家阅读和使用。
1670年，也就是波义耳搬到伦敦他姐姐家两年后，瘫痪病第一次迫使这位科学家，在床上躺了11个月。
波义耳是一个意志坚强的人。在病床上，他用各种药剂和药膏按摩麻痹的腿和脚，服用自制的各种新药。他还自己设计了恢复手臂和腿的功能的体操，坚持锻炼。
就在身体条件这样不好的情况下，波义耳仍然不肯让自己的脑子闲起来。每天，他都和助手一起工作，由助手念书给他听，记下他口授的文章，包括新实验的设想。正因为如此，在得病后的一年里，波义耳还写出了不少有价值的论文。
波义耳温和、诚实、无私，给所有认识他的人都留下了深刻的印象。在争论的时候，问题不管多大，程度不管多激烈，他绝不嘲笑或者谩骂，总是真诚相待，彬彬有礼。他的头脑清醒而冷静，没有虚荣心和嫉妒心，从来也不关心名望和高位。1680年，波义耳53岁的时候，曾被提名为皇家学会会长。这是一种极受尊敬的职务，但是他谢绝了。
1691年，波义耳和姐姐凯塞琳都病得很厉害。凯塞琳于1691年12月23日去世。波义耳4岁丧母，一辈子没有结过婚，姐姐凯塞琳是一生中对他支持最大的人，也是他最亲近的人。她的去世对波义耳的打击太大了。一个星期后波义耳也离开了人世。
波义耳的一生，的确像他自己说的那样：“我愿人们这样想我，除了自然界以外，我几乎没有看过任何别的书。我永远尊重这位最有益的作者，他不是努力去显示自己的学问，而是努力去增添他的读者的知识！”