波義耳在他1661年出版的《懷疑派的化學家》一書中，第一次給“元素”下了一個科學的定義：“我所說的元素的意思和那些講得最明白的化學家們說的要素相同。是指某一種原始的、簡單的、一點兒也沒有摻雜的物體。元素不能用任何其它物質構成的，也不能彼此相互構成。”
在這本書中，他根據自己的實踐經驗提出了許多重要的、令人信服的論據，批判了以往的陳舊的觀念。因此這本書在17世紀的化學家確立他們的新的觀念的過程中起到了重要的作用。
有趣的石蕊試液盡管波義耳的科學實驗是五花八門的，但是其中最重要的科學實驗主要是化學和物理學實驗。他的另外一項重要貢獻就是創立了化學研究中的分析方法，我們今天使用的化學試劑就是他最先發現的。
在實驗中，波義耳發現：用石蕊苔蘚泡製成的液體，在遇到酸性物質的時候會變成鮮豔的紅色，在遇到堿性物質的時候會變成美麗的藍色。於是波義耳就用這種試液把紙先浸透、再烘幹，然後用這種石蕊試紙來檢驗溶液是酸性還是堿性。把石蕊試紙放入酸性的溶液中，它就成了紅色的；把石蕊試紙放入堿溶液中它就成了藍色的。這種石蕊試紙直到今天還在使用呢。
當時化學科學研究的中心是燃燒過程。波義耳也對物質的燃燒現象進行了大量的研究，他就是在對燃燒進行研究時，最先發現金屬在燃燒中的增重現象的。他在燃燒實驗中對火進行了仔細的觀察，並進行於定量的分析，他發現，金屬經過焙燒變成金屬燒渣（金屬氧化物）後增加了重量。他認為這部分焙燒後增加的重量是由於金屬在焙燒過程中吸收了穿透容器的火粒子造成的。他認為火是由帶有重量的“火粒子”組成的，這種火粒子的高速運動是產生熱的根本原因。
這種觀點後來成了斯塔爾建立燃素說的理論基礎。
著名的無形學院作為科學史上一顆光彩照人的明星，波義耳一生有許多重要貢獻。在物理學方麵，1655年他通過實驗得到了著名的波義耳定律：氣體的壓強和密度成正比。在化學方麵，他引進了化學分析的名稱，奠定了化學分析的基礎，給元素下了第一個比較科學的定義。1680年，他被選為英國皇家學會主席，隻是因為身體的關係沒有任職。波義耳不太重視貴族的頭銜，對事務性的社交活動也不感興趣，隻熱衷於他的科學事業。
波義耳最重要的功績在於：確立了化學科學的研究目的。他既反對把化學歸結為煉金術，也反對把化學歸結為醫藥學。他認為化學應當為自身的目的去進行研究。即：研究物質的組成、性質及化學變化。這就為化學科學最終走上了研究物質自身的正確道路奠定了堅實的基礎。正是波義耳使化學開始從煉金術和醫藥學中完全獨立了出來，成為了一門真正的科學。
波義耳是著名的“無形學院”的重要成員之一，也是這個小小的科學社團的最重要的科學家。波義耳為人非常好，他和同時代的其它著名科學家們相處得非常好，約翰·威爾金斯、喬納森·戈達德等人都是他的好朋友，而羅勃特·胡克和奧爾登伯格都是他進行科學研究的助手，後來也是在他的影響下成為英國皇家學會的重要成員的。波義耳是牛頓的好朋友，同時也是牛頓最敬佩的人之一，他們一直保持著密切的聯係：牛頓光學的微粒理論也同波義耳有一定的關係。
由於波義耳的著作總是同時用拉丁文和英文發表，因此不僅在英國，而且在整個歐洲大陸，他的影響都非常大。
1691年波義耳在倫敦去世，由於對化學科學的重大貢獻，他在科學史上被認為是近代化學科學的真正的奠基人。