W latach 80. interesował się przede wszystkim chemią fizyczną, w tym m.in. właściwościami gazów i cieczy, np. napięciem powierzchniowym (głównie w stanie krytycznym), przemianami fazowymi (np. parowanie i dysocjacja termiczna propanolu (wspólnie z , 1886–1889), stechiometrią, termodynamiką chemiczną, strukturami minerałów bizmutowych.
Najbardziej znane prace dotyczyły gazów szlachetnych.
W roku 1894, wspólnie z Lordem Rayleighem, odkrył w powietrzu pierwszy z nich – argon, a w roku 1895, wspólnie z F. Soddym, stwierdził występowanie helu w jednej z odmian uraninitu (). Doświadczalnie potwierdził hipotezę Marii i Pierre'a Curie, dotyczącą przyczyn promieniotwórczości, wykazując obecność helu w produktach rozpadu preparatu radu. Wraz z M. Traversem doprowadził do wyodrębnienia z powietrza w roku 1898 neonu, kryptonu i ksenonu. Za odkrycie gazów szlachetnych w powietrzu i ustalenie miejsca tych pierwiastków w układzie okresowym otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w roku 1904.