Em 1641 foi a Florença onde estudou cuidadosamente as obras de Galileu, que o orientaram no sentido da filosofia mecanicista. Foi um dos primeiros investigadores que tentaram dar forma científica ao atomismo dos Antigos, opondo-se à teoria dos quatro elementos de Aristóteles e às teorias de Paracelsus.
Com a obra The Sceptical Chemist abriu uma nova era na história da Química, predefinindo, ainda de modo algo vago, os modernos conceitos de "átomo" e de "molécula".
Boyle é considerado o fundador da análise química devido aos seus estudos sobre a composição dos corpos. A sua atitude céptica não conseguiu, porém, impedi-lo de se dedicar apaixonadamente à alquimia.
Estendeu as suas pesquisas à hidrostática, ao som, aos fenómenos da respiração, tendo construído com o auxílio de Hooke uma máquina pneumática, semelhante à de Von Guericke, com a qual efectuou numerosas experiências sobre a pressão do gás. Verificou que a pressão varia inversamente com o volume (lei de Boyle-Mariotte).
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