Основные работы в области молекулярной физики и теплоты. Построил модель газа, согласно которой частички последнего представляют собой упругие шары, постоянно перемещабщиеся с большой скоростью по трезкам прямых и сталкивающиеся друг с другом (модель идеального газа). Исходя их этих представление, объяснил газовые законы, диффузию, распространение звука в газах, вычислил скорость газовых молекул. Вывел основное уравнение газового состояния, связывающее давление и объем газа с массой и скоростью его частиц, дал (1832) расчет для скорости звука в воздухе. Предположил существование абсолютного нуля температуры ("холода"). Автор трехтомной "Математической физики", в 3-м томе изложна его кинетическая теория.