Будучи сторонником теории флогистона («сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении), Пристли не смог объяснить суть процесса горения и защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье (1743–1794) обнародовал новую теорию.
Из своих собственных опытов, а также экспериментов Пристли и Шееле, Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь ¹⁄₅ часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Джозеф сообщил ему об открытии «дефлогистированного воздуха», Антуан сразу понял, что это и есть та самая часть, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье заключил, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) газов, а процессы горения объяснил соединением веществ с кислородом.
В начале 1775 г. Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух без изменений, за исключением того, что он более чист, более пригоден для дыхания». К 1777 г., вероятно не без намека Пристли, Лавуазье пришел к выводу, что это газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Правда, сам Пристли как сторонник теории флогистона с таким выводом никогда бы не согласился.
Исследования Лавуазье сыграли важную роль в развитии химии XVIII в.: созданная им научная теория горения знаменовала отказ от теории флогистона. В борьбе со сторонниками последней у Лавуазье был замечательный союзник — весы. Приступая к какому-либо опыту, ученый тщательно взвешивал все вещества, которые должны были вступить в реакцию, и еще раз взвешивал ее продукты по окончании опыта. По примеру Шееле, Лавуазье тоже сжигал фосфор в закрытой колбе, но не терялся в догадках, куда при горении исчезает пятая часть воздуха, поскольку весы давали ему точный ответ.
Прежде чем положить кусок фосфора в колбу, Лавуазье взвешивал его, а когда фосфор сгорал, взвешивал всю сухую фосфорную кислоту, оставшуюся в колбе. Согласно теории флогистона, фосфорная кислота должна была по весу уступать исходному материалу, ведь, сгорая, фосфор якобы разрушался и терял флогистон. Даже если бы флогистон был невесомым, фосфорная кислота весила бы ровно столько, сколько исходный фосфор. Однако выяснилось, что белый иней, оседавший на стенках колбы после горения, весил больше сгоревшего фосфора. Следовательно, «исчезнувшая» часть воздуха на самом деле никуда не девалась, а просто присоединялась к фосфору, в результате чего и получалась фосфорная кислота (теперь мы называем это вещество фосфорным ангидридом). Понимая, что горение фосфора — не исключительное явление, Лавуазье на других опытах показал: всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.