Научные работы относятся к механике, теплоте, оптике. В 1676 г. установил закон изменения объёма данной массы газа от давления при постоянной температуре (закон Бойля – Мариотта; этот закон был открыт и опубликован в 1662 г. Р. Бойлем). Предсказал разнообразные применения этого закона, в частности расчёт высоты местности по данным барометра. Описал многочисленные опыты п о изучению течения жидкостей по трубам; экспериментально подтвердил формулу Э. Торричелли относительно скорости истечения жидкости. Исследовал высоту подъёма фонтанов и составил таблицы зависимости высоты подъёма от диаметра отверстия. Изучал столкновение упругих тел, колебания маятника. В «Трактате об ударе или соударении тел» (1678) обобщил исследования в этой области. Доказал увеличение объёма воды при замерзании. Обнаружил в 1666 г. слепое пятно в глазу, исследовал цвета, в частности цветные кольца вокруг Солнца и Луны, изучал радугу, дифракцию света, лучистую теплоту, показал различие между тепловыми и световыми лучами. Изготовил ряд различных физических приборов.