Бойль был осторожным и трезво мыслящим экспериментатором в химии и физике, но оригинальных идей у него было мало. Его главный вклад в физику (с помощью блестящего экспериментатора Гука) состоит в изучении поведения газов при механических нагрузках. Найденная связь между давлением газа (передаваемым одинаково во все стороны, согласно Паскалю) и объемом, который газ занимает, привела Бойля к убеждению, что газ состоит из мелких, но массивных и быстро движущихся частиц, разделенных пустотой. Далее Бойль изучил свойства пустоты (вакуума), определив, какие взаимодействия тел она передает, а какие нет.
В химию Бойль вернул давнее учение греков об элементах, различные комбинации которых составляют все природные вещества. Он «разрешил» химикам увеличивать число природных элементов за счет любых веществ, которые не удается разложить на другие вещества. В 1680 г. Бойль оказался в числе открывателей фосфора — первого нового элемента, неизвестного в античном мире. Бойль также начал классификацию химических веществ, разделив их на кислые, основные и нейтральные.
Кроме этих научных открытий, и более всего Бойль прославился как главный организатор Королевского общества —первой общеевропейской академии наук Нового времени.