Интересы Лавуазье как ученого были разнообразны, 
но больше всего его интересовала химия. Одной из главных заслуг можно считать то, что он превратил химию в одну из точных наук, ввел новые понятия, предложил новую номенклатуру. На своем примере он доказал необходимость научного подхода ко всем экспериментам, необходимость строго следовать правилам. Всего лишь проводя тщательнейшие взвешивания на всех этапах экспериментов, ему удалось подтвердить многие факты и даже теории.
Самым важной работой Лавуазье считается развенчивание общепринятой в то время теории флогистона. Эта теория объясняла все процессы горения наличием в некоторых, горючих веществах особой «огненной субстанции», которая высвобождается при горении и прочно смешивается с воздухом. Образование оксида объяснялось присоединением к металлу «огня». Лавуазье много лет боролся с этой теорией, доказывал, что никакого флогистона не существует. Он провел очень наглядный опыт, нагрев ртуть в запаянном сосуде и получив оксид ртути. При этом масса реторты не изменилась, а значит, никакой флюид извне в процессе образования оксида не участвовал.
 |
 |
 |
| Мензурка коническая, 500 мл, без ручки | Газовая пипетка, 500 мл | Колпак 180х300 мм |
Изучая результаты своего эксперимента с оксидом ртути, ученый обратил внимание (помните, он всегда все очень тщательно взвешивал!), что масса оксида стала больше массы исходной ртути. А масса воздуха уменьшилась как раз на эту величину. Лавуазье предположил, что частью оксида стал какой-то компонент воздуха. Подобный опыт за несколько лет до Лавуазье провел Ломоносов, открывший закон сохранения материи. Иногда этот закон называют законом Лавуазье-Ломоносова, т. к. о первенстве русского ученого европейцы не знали.
Проводя различные эксперименты по сжиганию веществ в запаянном сосуде, Лавуазье пришел к выводу, что воздух состоит из двух газов, один из которых поддерживает горение и дыхание, а второй — с точностью наоборот. После открытия кислорода, он решил, что частью оксидов является как раз кислород. Он предложил стройную теорию окисления и горения, которая окончательно разрушила теорию флогистона. Дополнительно доказал, что воздух состоит из кислорода и азота и синтезировал воздух, соединив кислород и азот в пропорции 1:4.
Теория горения Лавуазье оказала большое влияние и на физиологию. Он предположил, что дыхание — это медленное горение, благодаря которому организм получает энергию. При этом из кислорода воздуха получается углекислый газ, состав которого ученый тоже уточнил.
Ученый считал, что кислород является основной частью кислот (в то время практически все известные кислоты были кислородосодержащими). Поэтому предложил латинское название oxygenium — «рождающий кислоты». Он несколько лет бился над получением кислоты из недавно открытого водорода и кислорода. К его удивлению, результатом горения водорода оказалась обычная вода. Он был не единственным, получившим такой результат, но единственным, кто смог правильно интерпретировать опыт и объяснить состав воды.
Сжигая органические вещества, такие как спирт, воск, масло, Лавуазье определил, что все они содержат кроме кислорода углерод и водород. Изучал процессы брожения сахаросодержащих веществ. Предложил первые методы органического анализа. Совместно с Лапласом сконструировал ледяной калориметр для вычисления тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции. Эти эксперименты позже вылились в новые науки — калориметрию, термохимию.
В 1787-м году (вместе с рядом французских химиков) предложил химическую номенклатуру, многие названия из которой мы используем до сих пор: например, кислород, азот, водород, углерод, серная, соляная, азотная, угольная, фосфорная кислоты. Он предложил использовать в названии указания на свойства веществ и соединений.
В 1789-м году Лавуазье издал «Начальный курс химии», который был переведен на все основные европейские языки и перепечатан во многих странах мира. Этот труд очень способствовал распространению теорий ученого. Многие химики, твердо убежденные в справедливости теории флогистона, изменили свое мнение после прочтения «Курса химии». Кроме этого, в «Курсе» была предложена классификация химических соединений. Ученый ввел понятия кислот, солей и оксидов (их он отнес к сложным телам) и предложил считать простыми те тела, которые невозможно разложить на данном этапе развития. Так к простым он отнес не только металлы, кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, но и «теплород», «известь», «кремнезем». Классификация еще не соответствовала нашим представлениям, но заложила первые простые и ясные основы, убрав из химического языка сложные и непонятные термины алхимии. Кроме этого, новая номенклатура позволила предсказывать состав некоторых веществ, до этого считавшихся простыми, элементарными, например, щелочей.
Лавуазье много сил отдавал пропаганде и развитию науки. Его лаборатория в пороховом арсенале была оснащена самыми современными приборами того времени, которые он сам совершенствовал, а иногда и разрабатывал. 
Эта лаборатория считалась научным центром Парижа, здесь встречались известные ученые для обсуждения разных вопросов. Новички приходили, чтобы учиться. Для всех, интересующихся наукой, Лавуазье проводил публичные опыты.
Имя Антуана Лорана Лавуазье внесено в список выдающихся ученых Франции, находящийся в Эйфелевой башне. Его именем назван кратер на Луне.