Современниками Бойля были англичане Томас Гоббс и Джон Локк, француз Рене Декарт, голландский мыслитель Бенедикт Спиноза. Огромное влияние на его мировоззрение оказал Фрэнсис Бэкон – родоначальник экспериментальной науки, соотечественник Бойля. В дальнейшем в работах Бойля встречается немало ссылок на мысли Бэкона о роли естествознания и организации научной работы. И, в первую очередь, о признании опыта как критерия истины. Развивая эту мысль, Бойль был твердо убежден, что справедливы лишь те теоретические представления, которые подтверждены наблюдениями и опытами. Он считал также, что наука должна приносить пользу производству, что совпадало со взглядами и интересами нарождавшейся английской буржуазии.
Живя в своем поместье, Бойль написал несколько эссе, посвященных вопросам морали. Считают, что прочтение одного из них побудило Джонатана Свифта написать свое знаменитое «Путешествие Гулливера».
В 1656 году Роберт Бойль переезжает в Оксфорд. Здесь он входит в круг ученых, проповедовавших и поддерживавших новые идеи в науке. Занимать такую позицию было не только не принято, но и опасно, поэтому ученым приходилось скрывать свою деятельность, особенно от реакционных служителей церкви. Для обсуждения новых идей, открытий и научных наблюдений группа ученых, и в их числе Роберт Бойль, собиралась в доме одного врача. Сложившийся таким образом кружок стал именоваться «невидимой коллегией». Спустя несколько лет члены «невидимой коллегии» собрались в Лондоне. И 28 ноября 1660 года они составили памятную записку об учреждении коллегии для развития физико-математических экспериментальных наук. Заявив о себе открыто, они стали собираться на еженедельные заседания для обсуждения научных вопросов. Заседания проходили в Лондоне и Оксфорде, и Бойль постоянно курсировал между этими двумя городами, принимая в работе коллегии самое активное участие. Вскоре научное сообщество получило столь широкую известность, что король Карл II указом от 15 июля 1662 года дал ему название Королевского общества и утвердил ряд привилегий, которые еще более расширил другим указом от 14 апреля 1663 года.
Работая в Оксфорде, где Бойль построил новую лабораторию, он пригласил для совместной работы в качестве помощника Роберта Гука. Бойль и Гук составили превосходный рабочий «дуэт», о чем сам Бойль не раз говорил как о необыкновенной удаче. Они работали над усовершенствованием конструкции воздушного насоса, изобретенного Отто Герике, что помогло Бойлю провести ряд физико-химических экспериментов, касающихся упругости воздуха. В них ученый сумел продемонстрировать целую серию физических закономерностей, описав их в книге, вышедшей в 1660 году. Этот труд был воспринят неодинаково ученым миром. Эксперименты Бойля подвергались критике. Для доказательства своей правоты Роберт Бойль провел дополнительные опыты. Физик-любитель Ричард Таунли повторил опыты Бойля и прислал ему их результаты. В отличие от Бойля, Таунли рассматривал опыты с газом в ином плане. Получив результаты Таунли, Бойль отозвался о них в высшей степени одобрительно: «Я не замедлю признать, что я не свел опыты, которые я проделал с измерением расширения воздуха, к какой-либо гипотезе. В то время как искусный джентльмен мистер Таунли попытался вывести то, что недоставало у меня. Мой помощник сказал мне, что проводил наблюдения с той же самой целью год назад, и они показали довольно хорошее согласие с теорией мистера Таунли», – писал Роберт Бойль. Во втором издании книги, в 1662 году, Бойль развивает свою (и Таунли) теорию и выводит закон, гласящий, что «упругость воздуха находится в обратном отношении к объему». Через 15 лет этот физический закон был переоткрыт французом Эдмом Мариоттом, совершенно независимо от Бойля. Поэтому он и носит название закона Бойля-Мариотта.