Korai kutatásai. Az ifjú Gay-Lussac 1797-től az új párizsi École Polytechnique hallgatója volt, 1800-ban végzett. További mérnöki - híd- és útépítési - tanulmányokba kezdett, de 1801-ben, amikor asszisztensének hívta a kitűnő vegyész, Claude-Louis Berthollet, abbahagyta tanulmányait. Kezdeti kutatásainak nagy részét a Berthollet vidéki házában levő laboratóriumban végezte Arcueilben, Párizs közelében. Ez a falu volt a középpontja az Arcueil-körnek, a Napóleon támogatását élvező Berthollet és Pierre-Simon Laplace vezette aktív, ifjú tudóscsoportnak.

Gay-Lussac első fontosabb kutatásai a gázok hőmérsékleti tágulására irányultak. 1802-ben kimutatta, hogy azonos hőmérséklet-emelkedés hatására minden gáz a térfogatának ugyanakkora hányadával tágul. Ennek a közös hőtágulási együtthatónak a létezése tette lehetővé egy új hőmérsékleti skála kialakítását. Az új skála hatalmas termodinamikai jelentőségét később Sir William Thomson (a későbbi Lord Kelvin) mutatta ki.

Gay-Lussac és Jean-Baptiste Biot 1804. augusztus 24-én egy hidrogéntöltésű léggömbbel kb. 4000 m magasságba emelkedtek, hogy a Föld mágneses térerősségének a magasság szerint esetleges változását tanulmányozzák. Gay-Lussac másodszor szeptember 16-án egyedül szállt fel, 7016 m-es magasságot ért el, ezt a magassági rekordot fél évszázadon át nem döntötték meg. Ekkor megismételte a mágneses méréseket, tanulmányozta a nyomás és a hőmérséklet változásait, több mint 6000 m magasságban levegőmintákat gyűjtött. Megfigyelései és a későbbi elemzései alapján arra következtetett, hogy a Föld mágneses terének erőssége és a légkör kémiai összetétele az általa elért magasságig nem változik.

Röviddel a léggömbrepülések után Gay-Lussac Alexander von Humboldttal kezdett együttműködni. Humboldt porosz nemes, világutazó, autodidakta tudós volt, később a tudomány nagy népszerűsítője, akkoriban az Arcueil-kör tagja. Kísérleteik vezettek el 1805-ben a vizet alkotó hidrogén és oxigén arányának pontos meghatározásához. Gay-Lussac hangsúlyozta, hogy a térfogatok arányát, és nem a súlyarányt kell vizsgálni. Az eredmények igazolták álláspontját. Egy térfogatnyi oxigén két térfogatnyi hidrogénnel vegyülve alkot vizet.

Gay-Lussac törvénye. Házasságkötésének évében, 1808. december 31-én Gay-Lussac közzétette azt a törvényt, amely ma a nevét viseli. Ekkorra már az Institut de France tagjává választották, Párizsban professzorrá nevezték ki. Egy másik francia kémikussal, Louis-Jacques Thenard-ral végzett kémiai kutatásai visszavezették az egymással reagáló anyagok arányainak a problémájához. Saját kísérletei, mások már közzétett eredményeivel összhangban, arra a következtetésre vezették, hogy a "gázok nagyon egyszerű arányokban vegyülnek", és "a vegyüléskor végbemenő térfogatcsökkenés is egyszerű viszonyban áll a gázok térfogatával, legalábbis az egyik gázéval". Ez az összefüggés a vegyülő térfogatok törvénye vagy a Gay-Lussac-törvény. Az említett egyszerű arányok közé tartozik a hidrogén-klorid és az ammónia egyenlő térfogatokban való vegyülése, ill. a szén-monoxid és az oxigén vegyülő térfogatai közti 2:1 arány.

Gay-Lussac hangsúlyozta, hogy törvényének egyszerű szabályai csak gázok esetében érvényesek, mert ez az anyagok legegyszerűbb és legáltalánosabb viselkedési módja. Érdemes megemlíteni, hogy John Dalton angol vegyésznek ugyanebben az időszakban megfogalmazott törvénye (az egyszeres és többszörös súlyviszonyok törvénye) a vegyülő súlyokra vonatkozik, nem a térfogatokra. Az alapvető különbség miatt mindkét tudós kétséggel fogadta a másik eredményeit, nem értették meg egymást. (Amedeo Avogadro olasz fizikus mutatta meg, hogy Dalton és Gay-Lussac eredményei miképpen egyeztethetők össze.) További kémiai kutatásai. Gay-Lussac és Thenard együttes munkája Sir Humphry Davy sikeres elektrokémiai kutatásainak a hatására kezdődött meg. Davyéhez hasonló módszert használtak az elektromos áram kémiai hatásainak a tanulmányozására. Miután Davy elkülönítette a káliumot és a nátriumot, Gay-Lussac és Thenard tisztán kémiai módszerekkel sokkal nagyobb mennyiségben állította elő az újonnan felfedezett kémiai elemeket, így meg tudták határozni a kálium tulajdonságait. A bór felfedezésében megelőzték Davyt, ők adták az elem nevét (bore). Gay-Lussac és Davy egymástól függetlenül és szinte egyidejűleg tanulmányozta a jód tulajdonságait 1813-ban; a nevet Gay-Lussac adta (iodure).

Gay-Lussac hidrogén-kloriddal, hidrogén-jodiddal és hidrogén-fluoriddal kapcsolatos vizsgálatai előkészítették az utat a savak természetének új elméletéhez, bár maga ezt nem fogalmazta meg. (Antoine Lavoisier már évekkel korábban úgy tartotta, hogy az oxigén valamennyi sav közös alkotóeleme.) Ezen az úton továbbhaladva Gay-Lussac megmutatta, hogy a kéksav (cián-hidrogénsav vagy hidrogén-cianid) csak hidrogénből, szénből és nitrogénből áll. 1815-ben azonosította a dicián gázt – (CN)₂ – és megmutatta, hogy egyetlen szénatom (C) és egyetlen nitrogénatom (N) kombinációja összetett gyökként szerepel, vagyis az atomcsoport a kémiai reakcióban egyetlen egységként vesz részt.

További munkái közül fontosak a növényi és állati anyagok elemzései, a sók oldhatóságának vizsgálata a hőmérséklet függvényében, a térfogatos analízis terén elért fontos eredményei. 1832-ben lemondott fizikaprofesszori állásáról, a párizsi Nemzeti Természetrajzi Múzeum kémiai vezetője lett. Jó néhány tanácsadói feladatot is ellátott, műszaki ismereteire alapozva tett javaslatokat ipari vegyi eljárások továbbfejlesztésére.

Gay-Lussacot 1831-ben, 1834-ben és 1837-ben a Nemzetgyűlés tagjává választották. 1839-ben Lajos Fülöptől elfogadta a főnemesi rangot - ezt évekkel korában visszautasította, amikor még X. Károly ajánlotta föl.

Bibliográfia. Maurice Crosland: Gay-Lussac, Scientist and Bourgeois (1978) – alapos bibliográfiával.