在波義耳時代，化學還深深地禁錮在經(jīng)院哲學之中。這種哲學對化學科學的束縛表現(xiàn)在，化學家把以亞里斯多德（Aristotle）為首的消遙派哲學家的觀點奉為圣典，認為：冷、熱、干、濕是物體的主要性質，這種性質兩兩結合就形成了土、水、氣、火“四元素”。照這種觀點，物質的性質是第一性的，物質本身反而是第二性的。改變物質的性質就可以改變物質本身。煉金術就是這種哲學思想指導下的產(chǎn)物。
繼煉金術而起的是醫(yī)藥化學家的“三元素”學說。他們認為：萬物皆是由代表一定性質的鹽、汞、硫三元素以不同的比例組成的。某一元素成分的多寡，就決定了該物質的性質。不難看出，三元素學說在理論上和四元素學說如出一轍。
1661年，波義耳出版《懷疑派化學家》，對這種經(jīng)院哲學給以毀滅性的打擊。初出版時是匿名的，后來續(xù)出多版，才將他的大名揭出。該書由對話的形式寫成:：在一個炎熱的夏天，四個哲學家在一棵大樹下爭論起來,其中一個代表懷疑派化學家即波義耳本人，另一個代表消遙派哲學家，第三個代表醫(yī)藥化學家，最后一個哲學家保持中立。經(jīng)過一番激烈的辯論，懷疑派化學家就把消遙派哲學家和醫(yī)藥化學家的種種謬論駁得體無完膚了。
《懷疑派化學家》在化學史上的意義可以從下面三個方面來說明。
首先，波義耳認識到化學值得為其自身的目的去進行研究，而不僅僅是從屬于醫(yī)學或煉金術的；
其次，波義耳認為，實驗和觀察的方法才是形成科學思維的基礎，化學必須依靠實驗來確定自己的基本定律。波義耳寫道：“化學家們至今遵循著過分狹隘的原則，這種原則不要求特別廣闊的視野，他們把自己的任務看作是制造藥物、提取和轉化金屬。我卻完全從另一個觀點看待化學：我不是作為醫(yī)生，也不是作為煉金家，而是作為哲學家來看待它的……如果人們關心真正的科學成就較之個人利益為重，如果把自己的精力都獻給了做實驗，收集并觀察事實，那么他就很容易證明，他們在世界上建立了偉大的功勛。”在這里，波義耳明確地把化學單獨劃為一門科學，并提出了它的任務和方法。
第三，波義耳為化學元素下了一個清楚的定義。他通過實驗證明，清遙派哲學家的“四元素”和醫(yī)藥化學家的“三元素是根本站不住腳的。他指出，元素就是具有確定的、實在的、可覺察到的實物，它們應該是用一般化學方法不能再分為更簡單的某些實物�！苯裉炜磥�，波義耳所定義的元素實際上是單質，而他正是以這一定義將單質和化合物、混合物區(qū)分開來的。波義耳還認為，確定哪些物質是元素，哪些物質不是元素，其唯一的手段是實驗，而且他確實用實驗手段確定了金、銀、汞、硫黃這些物質是元素。
這樣波義耳就從理論上解決了當時化學所面臨的一系列問題，掃蕩了天空中的烏云，把化學引上了康莊大道。波義耳在化學實驗方面的貢獻是他的理論思想在實踐上的繼續(xù)。在幾十年中，他以許多杰出的實驗豐富了科學的寶庫。
1660年，波義耳發(fā)表空氣的壓力與它的體積成反比，現(xiàn)稱為波義耳定律。
波義耳在實驗中非常注意物質顏色的變化，他觀察到：許多植物的汁液都能使酸堿變色【應是酸或堿使某些植物汁液變色?編者注】。他不僅用這些植物的汁液，而且還用植物汁液浸泡過的紙作指示劑，石蕊試紙就是他最先使用的。
1685年，波義耳發(fā)表《天然礦泉水實驗史簡編》，相當全面地總結概括了當時已知的分析化學鑒定反應，包括溶液顏色的變化、沉淀的生成和焰色反應等等。說波義耳是定性分析化學的奠基者，也是當之無愧的。
1673年發(fā)表的《使火與焰穩(wěn)定并可稱重的新實驗》是波義耳的一篇重要論文。波義耳將金屬在空氣中煅燒，其重量增加。在這個實驗中，波義耳使用了天平，這就把定量的手段帶進了化學之中。這一實驗，后來啟發(fā)了拉瓦錫和羅蒙諾索夫發(fā)現(xiàn)燃燒理論和物質不滅定律。
波義耳晚期的工作集中在磷元素化學方面。他不但單獨制取了磷，而且研究了磷元素的重要性質，包括磷的氧化燃燒、磷酸和磷化氫的生成和性質等。
1691年，波義耳在倫敦去世，享年六十四歲。他給我們留下了十幾部重要的科學著作和十幾篇有名的論文，是科學史上的寶貴文獻之一。恩格斯后來寫道：“波義耳把化學確立為科學”（《自然辯證法》），對此作出了極為恰當?shù)脑u價。
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