Już w roku 1802 utworzył prawa dotyczące rozszerzalności, rozprężliwości cieplnej i objętości gazów.
Kilkakrotnie odbył wówczas podróże balonem na wysokość kilku kilometrów, po to, żeby pobrać próbki powietrza do analizy.
Efektem tych lotów było sformułowanie prawa Gay-Lussaca - dotyczącego zależności objętości gazów od ich temperatury.
W roku 1807 wraz z L. J. Thenardem (równolegle do Humphrey'a Davy'ego z Anglii), otrzymał sód w postaci metalicznej poprzez redukcję NaOH (wodorotlenek sodu) opiłkami żelaza.
W wieku trzydziestu lat został profesorem fizyki na Sorbonie, a rok później profesorem chemii w paryskiej Szkole Politechnicznej (École Polytechnique).
W roku 1816 opracował prawa rozszerzalności i parowania cieczy.
Skonstruował aparat do pomiaru prężności par.
Wydzielił (wraz z L. Thénardem) potas, cyjanowodór, bor i jodowodór.
