Всё своё состояние и все свои силы Роберт Бойль употребил на изучение природы. Он занимался сельским хозяйством, медициной, астрономией. Но более всех остальных наук его влекла химия. Он сразу вошёл в круг английских любителей естествознания, в так называемый «Невидимый колледж». В 1656 г. Бойль переехал в Оксфорд, где создал специальную лабораторию, в которой проводил с коллегами пневматические опыты. Сами опыты и их результаты он изложил потом в работе «Новые физико-механические опыты, касающиеся упругости воздуха и его воздействий». В 1660 г. Роберт Бойль был в числе организаторов Лондонского королевского общества – Английской академии наук.
Выдающихся успехов добился Роберт Бойль в области химии. Он способствовал становлению химии как совершенно самостоятельной науки. В своей первой химической книге «Химик-скептик», написанной в 1661 г., учёный заявил, что химия имеет собственные цели, а не представляет собой собрание методов и рецептов приготовления лекарств. Бойль писал, что основная задача химии – ответить на главный вопрос, волновавший учёных всех времён и народов: из чего состоит материальный мир? Сам Бойль полагал, что все тела состоят из «элементов». «Элементы» в свою очередь состоят из более мелких частиц – «первичных частиц» и молекул – «корпускул». Сегодня мы знаем, что все тела состоят из атомов. Корпускулярная теория Бойля стала первой научной теорией состава вещества. Он сформулировал и первое научное определение химического элемента, положил начало химическому анализу как главному методу изучения состава веществ. В 1662 г. Роберт Бойль, независимо от французского физика Эдма Мариотта, установил один из газовых законов, согласно которому произведение объёма данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной температуре. Этот закон так и называется: закон Бойля – Мариотта (Мариотт открыл данный закон через 14 лет после Бойля – в 1676 г.). Кроме того, Бойль первым описал цвета тонких плёнок. Много времени уделял он изучению процесса горения. Именно Роберт Бойль обнаружил условия свечения фосфора. Объяснение же это явление получило лишь в XX в. Занимался исследователь и философией, активно выступая против отживших своё учений схоластов.
Но была ещё одна сторона деятельности Бойля – религиозная и богословская. В юности пылкое воображение повергало его из одной крайности в другую. Позднее Бойль вспоминал о своих тогдашних настроениях: «Демон воспользовался моей меланхолией, наполнил душу ужасом и внушил сомнения в основных истинах религии». В один из таких моментов юноша даже решил покончить жизнь самоубийством, от которого его удержала только мысль о том, что душа попадёт в ад. Тогда он начал читать Библию в подлиннике, для чего изучил еврейский и греческий языки. Уже в конце жизни