在波义耳时代，化学还深深地禁锢在经院哲学之中。这种哲学对化学科学的束缚表现在，化学家把以亚里斯多德（Aristotle）为首的消遥派哲学家的观点奉为圣典，认为：冷、热、干、湿是物体的主要性质，这种性质两两结合就形成了土、水、气、火“四元素”。照这种观点，物质的性质是第一性的，物质本身反而是第二性的。改变物质的性质就可以改变物质本身。炼金术就是这种哲学思想指导下的产物。
继炼金术而起的是医药化学家的“三元素”学说。他们认为：万物皆是由代表一定性质的盐、汞、硫三元素以不同的比例组成的。某一元素成分的多寡，就决定了该物质的性质。不难看出，三元素学说在理论上和四元素学说如出一辙。
1661年，波义耳出版《怀疑派化学家》，对这种经院哲学给以毁灭性的打击。初出版时是匿名的，后来续出多版，才将他的大名揭出。该书由对话的形式写成:：在一个炎热的夏天，四个哲学家在一棵大树下争论起来,其中一个代表怀疑派化学家即波义耳本人，另一个代表消遥派哲学家，第三个代表医药化学家，最后一个哲学家保持中立。经过一番激烈的辩论，怀疑派化学家就把消遥派哲学家和医药化学家的种种谬论驳得体无完肤了。
《怀疑派化学家》在化学史上的意义可以从下面三个方面来说明。
首先，波义耳认识到化学值得为其自身的目的去进行研究，而不仅仅是从属于医学或炼金术的；
其次，波义耳认为，实验和观察的方法才是形成科学思维的基础，化学必须依靠实验来确定自己的基本定律。波义耳写道：“化学家们至今遵循着过分狭隘的原则，这种原则不要求特别广阔的视野，他们把自己的任务看作是制造药物、提取和转化金属。我却完全从另一个观点看待化学：我不是作为医生，也不是作为炼金家，而是作为哲学家来看待它的……如果人们关心真正的科学成就较之个人利益为重，如果把自己的精力都献给了做实验，收集并观察事实，那么他就很容易证明，他们在世界上建立了伟大的功勋。”在这里，波义耳明确地把化学单独划为一门科学，并提出了它的任务和方法。
第三，波义耳为化学元素下了一个清楚的定义。他通过实验证明，清遥派哲学家的“四元素”和医药化学家的“三元素是根本站不住脚的。他指出，元素就是具有确定的、实在的、可觉察到的实物，它们应该是用一般化学方法不能再分为更简单的某些实物。”今天看来，波义耳所定义的元素实际上是单质，而他正是以这一定义将单质和化合物、混合物区分开来的。波义耳还认为，确定哪些物质是元素，哪些物质不是元素，其唯一的手段是实验，而且他确实用实验手段确定了金、银、汞、硫黄这些物质是元素。
这样波义耳就从理论上解决了当时化学所面临的一系列问题，扫荡了天空中的乌云，把化学引上了康庄大道。波义耳在化学实验方面的贡献是他的理论思想在实践上的继续。在几十年中，他以许多杰出的实验丰富了科学的宝库。
1660年，波义耳发表空气的压力与它的体积成反比，现称为波义耳定律。
波义耳在实验中非常注意物质颜色的变化，他观察到：许多植物的汁液都能使酸碱变色【应是酸或碱使某些植物汁液变色?编者注】。他不仅用这些植物的汁液，而且还用植物汁液浸泡过的纸作指示剂，石蕊试纸就是他最先使用的。
1685年，波义耳发表《天然矿泉水实验史简编》，相当全面地总结概括了当时已知的分析化学鉴定反应，包括溶液颜色的变化、沉淀的生成和焰色反应等等。说波义耳是定性分析化学的奠基者，也是当之无愧的。
1673年发表的《使火与焰稳定并可称重的新实验》是波义耳的一篇重要论文。波义耳将金属在空气中煅烧，其重量增加。在这个实验中，波义耳使用了天平，这就把定量的手段带进了化学之中。这一实验，后来启发了拉瓦锡和罗蒙诺索夫发现燃烧理论和物质不灭定律。
波义耳晚期的工作集中在磷元素化学方面。他不但单独制取了磷，而且研究了磷元素的重要性质，包括磷的氧化燃烧、磷酸和磷化氢的生成和性质等。
1691年，波义耳在伦敦去世，享年六十四岁。他给我们留下了十几部重要的科学著作和十几篇有名的论文，是科学史上的宝贵文献之一。恩格斯后来写道：“波义耳把化学确立为科学”（《自然辩证法》），对此作出了极为恰当的评价。
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