这样，就把一部分空气与大气隔离开来，如果白磷是与空气化合，玻璃罩内的气压下降，水银的液面就会上升。上升的高度标志着消耗空气量的多少。实验结果表明，无论白磷的量怎样增大，玻璃罩内被燃烧的白磷的质量总是一定的，水银面上升的高度也是一定的，只占空气体积的五分之一。拉瓦锡改用硫做这个实验，也得到了相同的结果。随后，拉瓦锡又用锡、铅、铁等多种金属的燃烧现象进行了更精确的实验研究，都得到了相同的结论。
很显然，空气并不是纯物质，而是两部分气体的混合物，一部分可以维持燃烧并与可燃物化合，这部分气体占空气总体积的五分之一；另一部分不能维持燃烧，占空气总体积的五分之四。
那么，与可燃物相结合的空气成分究竟是什么呢？拉瓦锡又投入到深深的思索之中。1775年，英国化学家普利斯特里发表了关于氧元素的论文，拉瓦锡恍然大悟，原来空气中这种特殊的成分是一种新的气体元素！拉瓦锡迫不及待地重复了普利斯特里关于氧化汞的合成和分解实验，并对这种新元素的化学性质进行深入研究，发现其除了助燃、助呼吸外，还能与许多非金属物质化合生成各种酸。为此，他建议将这种新元素命名为“Oxygene”，希腊文“酸素”的意思。
1777年9月，拉瓦锡总结了他五年多潜心研究燃烧现象的大量实验结果，向巴黎科学院提交了一份划时代的研究报告，系统地提出了“燃烧氧化理论”这一科学论断，彻底推翻了燃素说，揭开了争论多年的燃烧之谜。
运用这个科学的燃烧氧化理论，拉瓦锡弄清了碳酸气（CO2）是碳与氧元素的化合物。他根据一般的有机物在空气中燃烧都生成碳酸气和水的实验事实，建立了有机化合物的组成元素的定量分析方法，将一定量的有机物在一定体积的空气或氧气中燃烧，用苛性钾或苛性钠溶液来吸收产生的碳酸气，再从残留物中计算出生成的水量，由此就可确定有机化合物中碳、氢、氧三种元素的质量比。
根据燃烧氧化理论，拉瓦锡发表论文指出，动物的呼吸也属于一种燃烧氧化现象，即：吸入氧气，呼出碳酸气。
值得指出的是，在拉瓦锡之前也有不少化学家做过金属燃烧的实验，但他们都没能从中得到科学的结论。拉瓦锡的成功之处就在于他始终注重称量和对实验现象的缜密分析。他以准确、无可挑剔的实验结果还清楚地证明了又一个科学结论：在化学反应中，反应前物质的总质量与反应后物质的总质量总是相等的。这就是我们熟知的化学反应中的“质量守恒定律”或称“物质不灭定律”。这种质量守恒的思想在他1789年出版的《化学纲要》中，作了系统清晰的阐述，这是他对近代化学发展的突出贡献之一。从此，化学便由对物质的定性研究，进入到了定量研究的新阶段。正如一位法国著名化学家评价拉瓦锡时所说：“他使化学发生了全面的革命。”
1778年，拉瓦锡成为法国皇家科学院有表决权的18名核心院士之一。1785年，他被推选为科学院的秘书，成为科学院的实际负责人。
永无止境
面对辉煌的成就和荣誉，拉瓦锡没有满足，更不会枕誉不前，他那双科学家的慧眼总是盯着科学领域中那些有待解决的课题。
当时，科学家们对“元素”这个概念没有统一的认识，虽然波义耳当时已经提出了比较科学的元素概念，但并没有被大多数化学家认可。拉瓦锡在总结自己多年科学研究实践经验的基础上，系统地发展了波义耳的元素概念，做了更具体、更科学的阐述。据此，拉瓦锡研究分析了大量的物质，确认了33种元素，并将它们分成四类排列成表。1789年，在他的名著《化学概论》一书出版发行时，这张化学元素表就与世人见面了。现在看来，这张表显得过于简单，也存在错误和不妥之处，但它却是世界公认的化学史上第一张化学元素表，对于当时化学的发展，起了很好的推动作用。
拉瓦锡的另一大贡献是对化学物质的科学命名法。由于长达千年之久的炼金术时代的影响，当时许多化学物质的名称混乱不堪，缺乏系统性和规律性，常常与物质本身的组成和性质毫不相干。随着化学的发展，科学家们觉得越来越不方便。拉瓦锡联合了几位著名化学家，组成了“巴黎科学物质命名委员会”。经反复研究讨论，一致同意做出如下规定：每种物质必须有一个固定的、通用的名称，不得各自任意命名；单质的命名应尽可能表达出它的特征；
化合物的命名要反映出其组织；对碱、酸、盐各类物质的命名，还做了具体的规定。他们建议对过去被称为金属灰的物质依照它们的组成命名为金属氧化物；酸类和碱类物质要使用它们所含的元素来命名；盐类则用构成它们的酸碱来命名。例如，“汞灰”应称为“氧化汞”，“矾油”应叫做“硫酸”等等。拉瓦锡和命名委员会的专家们合作编写了《化学命名法》一书，该书出版后，很快被译成多种文字，在世界各地迅速传播开来，得到了各国化学家的好评和赞誉，在实际工作中广泛采用这个新的命名法。拉瓦锡及其同事们的这项开创性的工作奠定了现代化学术语命名的基础，给化学带来了前所未有的系统性和条理性。从此结束了化学物质命名长期混乱的局面。就是二百多年后的今天，许多化学物质的命名，还是按照当时的规则确定的。
科学的悲剧
拉瓦锡在科学研究领域取得一个又一个辉煌的成就，事业如日中天。然而，他万万没有想到，一场灭顶之灾正悄悄向他袭来。
1768年，在拉瓦锡当选为科学院院士的同时，他还谋到了一个临时包税官的职务。在三年之后，28岁的拉瓦锡与征税承包业主的女儿，14岁的少女玛丽？安娜结了婚。在岳父的支持和帮助下，拉瓦锡不久就成了正式的包税官，每年收入大约10万法郎。所谓征税承包业，就是把国家的部分征税承包下来，先向政府交出一笔巨额款项作税金，再向百姓征收税款，超出税金的款项归为己有，从中谋取一定的利润。所以，包税官们无不横征暴敛，人民对他们都非常痛恨。虽然拉瓦锡从未直接从事过征税活动，只是负责编制收支表，但他毕竟挂上了包税官头衔。
1775年，32岁的拉瓦锡又就任了皇家火药监督这一官职。从此他移居到火药局兵工厂内，用当包税官赚来的钱建造了一座规模宏大的实验室，这座著名的实验室建成后，法国许多著名科学家，常常定期在这里聚会。拉瓦锡不但精力充沛，而且工作非常勤奋。他每天天不亮就起床，六点到八点做研究工作，八点以后是他从事官职和去科学院工作的时间，晚上和星期日他都专门用于实验研究工作，每天工作长达十五六个小时。在这座他非常喜爱的实验室里，拉瓦锡在化学领域，完成了大量具有划时代意义的研究工作。
拉瓦锡以为他所选择的既做科学家又当官的路，一定是一条前程似锦的坦途，但事情的发展恰恰相反。1789年，正当拉瓦锡的重要著作《化学概论》在巴黎正式出版时，法国爆发了资产阶级大革命，改君主制为共和国。不久，包括拉瓦锡在内的60人组成的征税承包商集团成了革命的对象。拉瓦锡失去了包税公司的工作，又离开了火药局和他心爱的实验室，携妻子搬到了一个很小的住所中，化学研究工作也被迫停止了。到了1793年11月24日，新政府又下令逮捕所有的包税官。拉瓦锡在被捕时高声抗辩：“我做包税官所得的收入，已经全部用于科学研究。我是科学家，应该给予我不受审讯的权利！”然而前来逮捕他的人竟粗暴地回答：“共和国不需要科学家！”
在狱中的日子无疑是艰难和痛苦的，但拉瓦锡还是充分利用时间，撰写了八卷化学著作。他的妻子四处奔走，希望能使丈夫免于审讯。然而，让她绝望的是到处都是礼貌的拒绝。
最后的审讯到来了，法庭仅用15分钟的时间就做出了判决：包括拉瓦锡在内的28名包税官被判处死刑。拉瓦锡没有再为自己做任何辩护，只要求法庭能再给他两个星期的时间，让他把中断的一项重要研究完成，作为对祖国的最后奉献。然而，他的要求遭到了严词拒绝。
1794年5月8日，断头台的屠刀无情地让这位天才的科学家身首异处了。当时的拉瓦锡年仅50岁零8个月。人类失去了一位最杰出的、贡献卓著的伟大化学家！
多么悲惨的结局！全世界的科学家都在为之叹惜。著名数学家拉格朗日悲叹道：“他们砍下拉瓦锡的头，只是一瞬间的事；而他那样的头脑，一百年也长不出一个来！”
拉瓦锡死后不久，人们为了纪念这位伟大的科学家，在法兰西的土地上为他塑了像，他生前用过的大部分实验设备和仪器，至今陈列在巴黎国家科学博物馆中。