Zajmował się badaniem właściwości gazów i metali w niskich temperaturach oraz dyfuzją gazów. Wyznaczył temperatury krytyczne szeregu gazów, w tym parametry krytyczne wodoru.
W roku 1882 jako pierwszy wytworzył klatrat dwutlenku węgla i zbadał jego podstawowe właściwości.
Wraz z Karolem Olszewskim – chemikiem i również profesorem UJ – dokonał w 1883 r. pierwszego na świecie skroplenia tlenu (5 kwietnia) i azotu (13 kwietnia), co było dużym wydarzeniem w ówczesnym świecie naukowym. Później obaj uczeni zestalili także dwutlenek węgla i alkohol. Użyli do tego celu kaskadowej metody skraplania gazów pod zmniejszonym ciśnieniem, w której kolejne skroplone i wrzące gazy obniżały temperaturę dla kolejnych skropleń w niższych temperaturach.
Wróblewski zmarł przedwcześnie w wieku 43 lat, w wyniku tragicznego wypadku, który miał miejsce późnym wieczorem 25 marca 1888, w jego laboratorium w gmachu Collegium Physicum, gdzie pracując nad swoją publikacją przy biurku rozlał sobie na ubranie zawartość lampy naftowejZachował się nadpalony blat owego biurka. Wraz z przymocowanymi doń resztkami lampy naftowej przechowywany jest w zbiorach Muzeum Uniwersytetu Jagiellońskiego. W płonącym ubraniu wybiegł z gmachu, gdzie dopiero dwaj studenci stłumili ogień płaszczami. W wyniku rozległych oparzeń Zygmunt Wróblewski zmarł 16 kwietnia 1888 r.