Aproximadamente em 1807, Berzelius iniciou suas análises sobre a composição das substâncias químicas. Trabalhando em seu tempo livre e com instrumentos de laboratório mais parecidos com utensílios de cozinha e técnicas de sua própria improvisação e desenvolvimento, estudou cerca de 2000 compostos num período de 10 anos. Utilizou oxigênio como base de referência para os pesos atômicos e outros elementos e foi guiado pela lei das proporções múltiplas, teoria atômica, os princípios de isomerismo e a Lei de Gay-Lussac da combinação de volumes. Sua tabela resultante de proporções combinadas e pesos atômicos, publicada em 1818 e revisada em 1826, possuía um considerável grau de precisão.
Berzelius iniciou experimentos sobre a eletrólise de várias soluções. Este estudo levou à sua Teoria Eletroquímica Dualística, onde os compostos eram feitos de dois componentes eletricamente diferentes (um positivo e outro negativo). Em sua tentativa de estender esta hipótese e incluir também os compostos orgânicos, contribuiu para o fundamento da teoria radicalar.
Berzelius descobriu os elementos Césio (1803), selênio (1817) e tório (1828). Isolou o silicone (1823), zircônio (1824) e titânio (1825); classificou os minerais em uma base química, e realizou estudos detalhados sobre os compostos telúrio, vanádio, molibdênio, tungstênio, urânio, entre outros. Algumas vezes denominado como o pai da análise gravimétrica, introduziu o uso do banho de água, do dessecador, da pisseta, do papel de filtro, da bagueta de borracha e melhorou a técnica de moldagem em vidro.
Publicou mais de 250 artigos originais, a maioria em sueco, na “Transactions of the Stockholm Academy”. Seus reportes em química e física, e seu livro-texto em química, que tiveram cinco editores e foram traduzidos para alemão e francês, influenciaram grandemente o desenvolvimento da química em seu tempo.
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