“四元素說”是以畢達哥拉斯為代表的，他主張物質是由火、水、氣和土四種元素所組成的。“三元素說”是以帕拉塞斯為代表的，他主張物質是由硫、汞、鹽三種元素所組成的。這兩種說法到底哪個正確？波義耳對此產生了疑問。他認為要想得出正確的結論，解決這一科學難點問題，隻有靠實驗，實驗是解決一切問題的辦法，空談無濟於事。波義耳萌生了一個強烈的願望，要有一個實驗室，要建立起自己的實驗室，盡快開展實驗研究。
豪華住宅改建的實驗室
年輕的波義耳為了建立實驗室想了許多辦法，他不敢向姐姐請求在物質上的幫助，他想到了斯泰爾橋莊園，這是他父親留給他的遺產，那裏有一所豪華的住宅。他決定把住宅改建成自己需要的實驗室。自己的生活起居室、圖書館也建在這裏。經過一段緊張的施工建設，波義耳的實驗室於1645年竣工，開始交付使用。
波義耳又花了一筆錢，為實驗室配備了相當好的實驗設備儀器，並聘請了幾位有水平的實驗技術員。波義耳在實驗室裏進行了大量的物理、化學方麵的實驗。為了吸引社會上誌同道合的朋友，波義耳把自己的實驗室對外開放，當時社會上對化學和物理具有濃厚興趣的朋友，都前來參加這裏的實驗研究。不久，波義耳的實驗室成了一個具有特色並頗受科學界關注的實驗研究中心。
元素概念的確立
波義耳的化學實驗研究中心，對物質的組成最為感興趣，研究非常深入，成果顯著。波義耳經過十幾年的努力奮鬥，於1661年出版了他的化學名著《懷疑派化學家》。這是他對物質組成的科學論著，是近代化學史上的重要文獻。
全書摹仿科學名著《新科學對話》的風格，用對話體寫成，對當時占統治地位的元素說進行了全麵的批判。
書中共有四位人物，一位是逍遙派化學家，他代表了“四元素”說的觀點；一位是醫藥派化學家，他是“三元素”說的代表；一位是懷疑派化學家，他代表了波義耳本人的觀點；還有一位是中立派化學家，他保持中立。
逍遙派化學家認為，宇宙萬物是由土、水、氣和火四種元素組成，四種元素按不同的比例組合，就會形成各種各樣的物質，隻要改變四元素的比例，普通金屬也能變成黃金。
醫藥派化學家則認為，萬物都是由硫、汞和鹽三種元素按不同比例組成的。汞是一切金屬的本質，硫是一切可燃物所共有的，硫和汞結合就可以得到各種金屬。普通金屬與黃金、白銀的區別，就在於含硫、汞的比例不同和純度不同，如果除掉金屬中的下賤成分，普通金屬也可變為黃金和白銀。
這兩種觀點就是當時社會廣泛流傳的，物質組成的“四元素說”和“三元素說”。
懷疑派化學家代表了波義耳的觀點。他根據自己多年的大量實驗結果，駁斥了這兩種觀點。
波義耳舉了黃金的例子。他說，黃金溶解在王水裏，肉眼看不見，但金子還存在於溶液裏，這不是元素；要進一步分解，得到更原始的微粒子，這才是元素。黃金不怕火燒，不管烈火怎樣燃燒它，都看不見它的分解，更沒有分解出硫、汞和鹽，也不可能含有土、水、氣和火。這就是說，黃金無論經過什麼化學反應，黃金的微粒是不變的。
波義耳代表懷疑派化學家，在列舉大量事實後得出結論，他認為物質的形成是複雜的。“四元素說”和“三元素說”是錯誤的。波義耳根據自己大量的實驗事實，給元素下了一個明確的定義：元素是不由其他任何物質所構成的最原始的、最簡單的、最純淨的物質，元素是有確定性質的、實在的，可覺察到的實物，是用一般化學方法不能再分解的最簡單的實物。
波義耳所說的元素，按現代的觀點是單質。波義耳對於元素的論證，徹底批駁了存在至少兩千餘年的陳舊的唯心主義的“四元素說”、“三元素說”的觀點，確立了科學的元素概念，使化學走上了科學研究的道路。