A kémia mellett botanikát, csillagászatot és ásványtant is tanult. Leghíresebb eredményeként az égési folyamatokat tanulmányozva felfedezte az anyagmegmaradás törvényét 1773-ban, amit róla Lavoisier- (orosz nyelvterületen Lomonoszov-Lavoisier)-törvénynek neveztek el. Részt vett a vegyületek új nómenklatúrájának kimunkálásában; pontosan meghatározta az elemek, a savak, a sók és a bázisok fogalmát. 1774-ben Priestleyvel találkozott, az ő kísérleteit megismerte és folytatta. A levegőnek Priestley által elkülönített alkotórészét ő nevezte el oxigénnek. Erre alapozva az égés új elméletét alkotta meg, és megcáfolta a flogisztonelméletet. 1789-ben jelent meg tankönyve, a "Traité Elémentaire de Chimie", az első modern kémia tankönyv, amelyben átfogó képet adott a kémia egészéről. Részt vett Franciaország geológiai térképének szerkesztésében. A lőporgyártás főfelügyelője és főadóbérlője volt, a nagy francia forradalom idején ezért a tevékenységéért végezték ki.