Открыл закон одинакового расширения всех газов при одинаковом повышении темп-ры (1802, независимо от Дж. Дальтона), а также закон объёмных отношений (1808), согласно которому объёмы газов, вступающих в химич. реакцию, относятся друг к другу и к объёмам газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа (см. Гей-Люссака законы). В 1804 дважды совершил с науч. целью полёты на возд. шаре, во время которых выполнил ряд науч. исследований: изучал темп-ру и влажность воздуха; обнаружил, что на выс. ок. 7 км интенсивность земного магнетизма заметно не изменяется, а воздух имеет тот же состав, что и у поверхности Земли. Обнаружил (1807) независимость теплоёмкости газа от его объёма. Разработал (1811) способ определения плотности пара. Совместно с Л. Тенаром в 1808 выделил свободный бор из борного ангидрида, а также (независимо от Г. Дэви) разработал способ получения щелочных металлов – калия и натрия – восстановлением гидроксидов при нагревании с железными стружками. Исследовал (1810) пероксиды калия, натрия, кальция, бария. Одновременно с Г. Дэви показал, что иод – химич. элемент, похожий по свойствам на хлор, получил ряд соединений иода, в т. ч. иодоводородную и иодную кислоты, монохлорид иода (1811–1814). Определил количественный состав синильной кислоты и установил аналогию между нею, галогеноводородными кислотами и сероводородом (1815). Получил и изучил «циан» (в совр. понимании – дициан), что послужило одной из предпосылок формирования теории сложных радикалов и теории замещения (1815). Исследуя соляную и синильную кислоты, показал, что содержание кислорода не является обязательным критерием определения вещества как кислоты. Получил лактид нагреванием молочной кислоты (1833, совм. с франц. химиком Т. Пелузом). Одновременно с Й. Берцелиусом и И. Дёберейнером усовершенствовал органич. элементный анализ (1815). Впервые построил кривые зависимости растворимости солей в воде от темп-ры (1819), обнаружил отличие кривых растворимости безводного сульфата натрия и его десятиводного гидрата. Усовершенствовал методы объёмного анализа: хлорометрию (1824), алкали- и ацидометрию (1827). Получил патент на произ-во стеариновых свечей (1825, совм. с М. Шеврёлем). Изобрёл (1827) колонну для улавливания оксидов азота в произ-ве серной кислоты; такие колонны – т. н. башни Г.-Л. – впервые применены в 1842. Разработал пром. метод получения щавелевой кислоты из древесных опилок (1829). Изобрёл ряд приборов (гидрометр, термометрограф, ртутный сифонный переносной барометр и др.). С 1815 редактировал ж. «Анналы химии и физики».