Niewiele koncepcji „ma mocniejszy uchwyt w umyśle”, napisał, niż to, że powietrze „jest prostą substancją elementarną, niezniszczalną i niezmienną.”
Joseph Priestley może nie wydawać się znanym nazwiskiem, ale jego wkład w naukę jest monumentalny. Przypisuje się mu odkrycie tlenu w 1774 r. Priestley stwierdził, że „powietrze nie jest substancją elementarną, lecz składem” lub mieszaniną gazów. Znalazł bezbarwny i wysoce reaktywny gaz, który nazwał „zdeplenionym powietrzem” lub, jak nazwano go później, tlenem.
Jego najsłynniejszy eksperyment przeprowadzono 1 sierpnia 1774 roku. Użył szklanej „płonącej soczewki”, aby skupić światło słoneczne na bryle czerwonawego tlenku rtęci zawartej w odwróconym szkle i umieszczonej w basenie z rtęcią. Stwierdził, że emitowany gaz był „pięć lub sześć razy lepszy od zwykłego powietrza”. Kolejne testy wykazały, że powodował on intensywne spalanie płomienia i „utrzymywał przy życiu myszy około cztery razy dłużej niż podobna ilość powietrza.”
Dzięki swoim eksperymentom Joseph Priestley był w stanie odpowiedzieć na jedno z wielu pytań, które nurtowały ówczesnych naukowców: Jak i dlaczego rzeczy się palą?
Ale jego najsłynniejszym odkryciem był tlen, Joseph Priestley zasłynął z wielu innych odkryć. Wyizolował i scharakteryzował osiem innych gazów. Należały do nich amoniak, dwutlenek siarki, podtlenek azotu i dwutlenek azotu. Priestly był również twórcą wody gazowanej. Nazwał ją „mephetic julep” i miał nadzieję, że przyda się ona żeglarzom podejmującym długie podróże, aby zapobiec szkorbutowi.
Wynalazł również gumkę do mazania i wcześnie napisał ważną pracę na temat elektryczności, do której zachęcił go jego przyjaciel, Benjamin Franklin.
Głęboki miłośnik polityki i znany z bycia liberalnym teoretykiem politycznym, również pisał dużo na te tematy. W rzeczywistości jego nieortodoksyjne pisma, w połączeniu z gorącym poparciem dla rewolucji amerykańskiej i francuskiej, sprawiły, że wielu rodaków odrzuciło go i był zmuszony uciec z Anglii.
W 1794 r. osiadł w Pensylwanii, aby kontynuować swoje badania. Mimo że zaproponowano mu stanowisko na Uniwersytecie Pensylwanii, założonym przez jego przyjaciela Benjamina Franklina, Priestley odmówił. Zamiast tego postanowił zamieszkać w Northumberland w Pensylwanii i kontynuować swoje badania. Chociaż nigdy nie został obywatelem amerykańskim, był bliskim przyjacielem zarówno Thomasa Jeffersona, jak i Johna Adamsa. Thomas Jefferson wyraził się, że widział w Priestleyu „jedno z niewielu żyć cennych dla ludzkości.”
Joseph Priestley kontynuował swoją pracę naukową, osiadając w Pensylwanii, z żoną i synem, aż do śmierci w 1804 roku.