Годом раньше, в 1661 году, вышла самая знаменитая книга Бойля «Химик-скептик». В ней он доказывает, что химия должна стать самостоятельной наукой, а не заниматься попытками превращения неблагородных металлов в золото и поисками способов приготовления лекарств. В этой книге Бойль дал первое научное определение понятию элемента. Четкой идеи о том, что представляет собой элемент, у Бойля не было. Он представлял себе его в виде неких первочастиц, которые, соединяясь, образовывали корпускулу. (По сути, это понятие не было у Бойля конкретизировано, и через 100 лет Лавуазье на основе новых достижений науки развил понятие элемента, вложив в него конкретное содержание.) Книга «Химик-скептик» пользовалась громадным успехом, первый ее тираж был мгновенно распродан. Очень скоро появились и ее переводы на другие языки, в том числе и на латынь. Но, несмотря на огромную популярность, далеко не всеми учеными взгляды Бойля были восприняты, а учение о «четырех стихиях» и «трех началах» присутствовало в химии до конца XVIII века.
Оставаясь вне политики, не имея семьи, Бойль тратил все свои средства на науку. Некоторое время он исполнял обязанности президента Королевского общества и был одним из директоров Ост-Индской кампании.
В 1665 году Бойль получил степень почетного доктора физики Оксфордского университета. В 1680 году он был избран президентом Королевского общества, но от должности отказался.
Роберт Бойль полностью посвятил себя науке, отдавая все время экспериментам, которые всегда регистрировал – даже неудачные, считая, что плохой результат, это тоже результат. В своих исследованиях он широко применял качественные и количественные методы. В начале 70-х годов он провел ряд опытов по обжиганию металлов в запаянных сосудах. Регистрируя привес после обжига, он сделал ошибочный вывод, что «корпускулы огня проникают сквозь стекло и поглощаются металлом», что и дает разницу в весе. В 1680 году независимо от других химиков Бойль получил фосфор, исследовав который он указал цвет, запах, плотность химического элемента, а также его способность светиться и отношение к растворителям. В 1684—1685 годах Бойль провел ряд экспериментов для выявления состава минеральных вод. В опытах он использовал отвар чернильных орешков для открытия железа, аммиак для открытия меди, растительные краски для установления кислой или щелочной реакции, отмечал вкус вод и их плотность.
Другая сторона деятельности Роберта Бойля – религиозная. В юности, поддаваясь разным искушениям, он даже думал о самоубийстве, от которого его удержали страх и мысль о том, что душа грешника попадет в ад. «Демон воспользовался моей меланхолией, наполнил душу ужасом и внушил сомнения в основных истинах религии», – писал позже Бойль. Чтобы рассеять сомнения, Бойль занялся чтением Библии, и, желая прочесть ее в подлиннике, он взялся за изучение еврейского и греческого языков. В дальнейшем Бойль стал ревностным христианином и замечательным религиозным писателем. Даже в научных трудах Бойль стремился доказать величие и мудрость Творца. Теория корпускуляризма имела весьма характерную для Бойля особенность – он считал корпускулы мельчайшими «инструментами», «орудиями», благодаря которым видимый нами мир представляет собой нечто вроде «гигантских часов», приводимых в движение Богом.