Физические работы в области молекулярной физики, световых и электрических явлений, гидростатики, акустики, теплоты, механики. В 1660 усовершенствовал воздушный насос Герике, установил новые факты, которые изложил в “Новых физико-химических опытах, касающихся упругости воздуха”. Показал зависимость точки кипения воды от степени разряжения окружающего воздуха и доказал, что подъем жидкости в узкой трубке не связан с атмосферным давлением. В 1661 открыл закон Бойля, сконструировал барометр и ввел название барометр. Сделал первые исследования упругости твердых тел, был сторонником атомизма. В 1663 открыл цветные кольца в тонких слоях (кольца Ньютона). В 1661 сформулировал понятие химического элемента и ввел в химию экспериментальный метод, положил начало химии как науки.
Бойль сочетал выдающуюся способность к аналитическому мышлению с талантом наблюдателя и экспериментатора. Отличался редкой скромностью и приверженностью к непосредственной научной работе: отказался от предложения стать президентом Лондонского королевского общества, которое было основано во многом благодаря усилиям Бойля.
Бойль открыл свой закон об упругости (давлении) и объеме воздуха, но значение его он сам сначала не понял. Аналогичные исследования независимо провел настоятель монастыря в Дижоне Эдм Мариотт (1620-1684), который опубликовал свои наблюдения в 1676 г. в работе "О природе воздуха" и пришел также к закону Бойля, который французы называют законом Мариотта.
В это же время бурно развивается промышленность, мануфактурное производство. Получили распространение различные машины: водяные двигатели, станки и т.п. При этом возникает необходимость применения естествознания в промышленности для решения задач освоения и передачи механического движения, что дополнительно стимулирует развитие науки.