Praca naukowa Zajmował się elektrolizą wody, roztworów wodnych i stopionych soli, co przyniosło niespodziewane rezultaty. Na podstawie swoich eksperymentów zauważył, że doprowadzając do roztworu soli lub wodorotlenków metali aktywnych (z grup głównych układu okresowego) prąd elektryczny, można wytworzyć gazowy wodór. Elektroliza stopionych soli pozwoliła wyizolować po raz pierwszy czyste metale aktywne. Jako pierwszy opisał efekty inhalacji gazem rozweselającym, odkrytym przez Josepha Priestleya w 1772 roku.

Zasługą uczonego były odkrycia pierwiastków. Wykazał, że znane substancje są tlenkami metali. Davy jako pierwszy w 1807 wyodrębnił potas i sód, a w 1808 wapń, stront i magnez. Bywa również uważany za odkrywcę boru, obok Gay-Lussaca i Thénarda, którzy prowadzili swoje badanie niezależnie i opublikowali wyniki swoich prac wcześniej od Davy’ego, który bor wyizolował. W 1810 odkrył, że chlor jest odrębnym pierwiastkiem, a nie związkiem chemicznym, jak sądził jego odkrywca, Carl Scheele. Tym samym podważył teorię Antoine’a Lavoisiera, który twierdził, że wszystkie kwasy zawierają tlen. Davy wykazał, że niektóre kwasy, jak kwas solny (chlorowodorowy) nie mają tlenu.