Eksperymenty Lavoisiera należały do pierwszych, w których stosowano metodę ilościową. Pokazał on, że mimo zmian stanu materii podczas reakcji, jej ilość (masa) jest taka sama przed i po reakcji chemicznej. Spalając fosfor i siarkę zauważył, że produkt reakcji ważył więcej niż jej substraty. Wykazał, że nadwyżka wagi jest rekompensowana ubytkiem masy powietrza. Te eksperymenty dały podstawę do sformułowania prawa zachowania masy. Lavoisier badał także skład chemiczny wody, której składniki nazwał tlenem i wodorem. We współpracy z francuskim uczonym Claude-Louisem Bertholletem Lavoisier skomponował chemiczną nomenklaturę (Méthode de nomenclature chimique, 1787). Nazewnictwo w dużej części jest wykorzystywane także współcześnie, jak np.: kwas siarkowy, siarczany.

Jego dzieło Traité Élémentaire de Chimie (1789; wyd. polskie Traktat podstawowy chemii, w przekładzie Romana Mierzeckiego, 2001) jest uważane za pierwszy nowoczesny podręcznik chemii;