Lista jego zasług na polu nauki jest wyjątkowo długa. Nazwał wiele podstawowych pierwiastków – w tym tlen (z gr. oxygenium, czyli „tworzący kwasy”), azot (z gr. „bez życia”), wodór (z gr. hydrogenium, „tworzący wodę”). Udowodnił, że tlen jest niezbędny w procesie oddychania, a woda składa się właśnie z tego pierwiastka oraz wodoru. Opracował również prawo zachowania masy.

Właściwości tlenu Lavoisier opisał w opublikowanym w 1778 roku dziele „Rozważania o naturze kwasów”. Pokłócił się przy tym z odkrywcą tego pierwiastka, pastorem Josephem Priestleyem. Lavoisier dowiódł na drodze eksperymentalnej, że tlen jest gazem niezbędnym do podtrzymania spalania oraz wszelakich procesów życiowych, gdyż jedynie jego obecność w organizmie umożliwia przebieg wielu reakcji chemicznych. Tymczasem Priestley uparcie bronił teorii flogistonu, która – jak dziś wiemy – okazała się fałszywa. Spór trwał wiele lat i podzielił naukowców w Europie na dwie zwalczające się frakcje.

Choć Lavoisier nie wykładał na uniwersytecie, napisał pierwszy nowoczesny podręcznik chemii oraz założył najstarsze naukowe czasopismo chemiczne „Annales de Chimie”. Lavoisier interesował się też prawem. Większość dorosłego życia pracował nad reformą francuskich podatków, a także jako... poborca podatkowy, co stało się bezpośrednią przyczyną jego śmierci.

Podczas rewolucji francuskiej został bowiem stracony jako sługus monarchii. Lavoisier miał wówczas zaledwie 51 lat. Jego bezsensowna śmierć odbiła się wielkim echem w świecie ówczesnej nauki. Matematyk i astronom Joseph Louis Lagrange tak pisał o tym wydarzeniu: „Potrzeba było jednej chwili, aby stracić tę głowę, ale nie wystarczy może i stu lat, aby urodziła się druga podobna do niej”.

Kiedy zaś jakiś czas później Napoleon Bonaparte zapytał znanego niemieckiego chemika i farmaceutę Johanna Bartholomäusa Trommsdorffa, kto jego zdaniem jest największym chemikiem, ten odparł: „Panie, od ścięcia Lavoisiera chemia straciła swą głowę”.