追随海耳蒙特、波义耳两位前辈的做法，拉瓦锡在化学实验中一向会使用天平。天平的使用实际上假定了某种形式的质量守恒定律成立，拉瓦锡后来详细阐述了这一化学“公理”。因为这很重要，只有使用定量方法，才能合乎逻辑地指出旧化学理论存在的问题。
加入巴黎科学院不久，拉瓦锡的天平就派上了用场。1768年，一派学者受旧化学理论影响，认为水长时间加热会生成土元素。炼金术士海耳蒙特做过实验，也认为是这样。拉瓦锡表示不信，决定亲自试一试。
于是，他将装有纯净水的玻璃容器封口并称重加热一百天，发现的确有一种白色沉淀生成。然而，打开容器，将水蒸干后，拉瓦锡发现玻璃仪器的质量减轻了，而白色沉淀的质量和玻璃仪器减轻的质量相等。这就很明显了，“土”是从玻璃仪器上被水溶解下来，而不是从水本身得来的。这一结论展示了拉瓦锡定量实验方法的威力，不由得让他对旧化学理论产生了一丝怀疑。
旧化学理论最大的问题还是出在对燃烧现象的解释上。
把一支燃烧的蜡烛放在密封的钟罩内，不久，蜡烛便熄灭了，钟罩内剩余的气体也不再能支持燃烧。燃素说认为，物体燃烧形成火焰，是其中结合的燃素（火元素）释放了出来；而剩余的气体被称作“被燃素饱和了的空气”，因为它吸足了燃素，所以再放一支蜡烛进去，也会马上熄灭。这幅图景里，气元素、火元素各司其职，分工明确。
上面的场景是英国化学家普里斯特利想出来的。普里斯特利是英国皇家学会会员，在气体化学领域有重大贡献，一生共发现十种不同气体，还是汽水的发明人。他是“燃素说”的坚定捍卫者。
有机物燃烧留下的灰烬通常比可燃物本身少得多，因此，化学家们一直以来认为燃烧时某些物质被释放了出来，这是可以理解的。另一类化学问题是金属的煅烧（在空气中加热），这个问题要复杂一些：煅烧金属铅，所得的灰烬质量变重了；可又有人煅烧金属锑，结果发现质量变轻了。这些不一致的实验结果使讨论该问题的化学家长期达不到共识。
1772年，拉瓦锡在巴黎科学院开会时，偶然听说了一位年轻科学家吉东·德莫尔沃的成果。通过一系列严谨的实验，他排除了前人实验中的失误，终于证明，金属煅烧后，如果质量会发生改变，那么一定是变重。
在论文中，这位化学家试着用“燃素说”解释自己的实验结果，但说得明显有错，没能让人信服；而拉瓦锡一听到这个结论，马上意识到“燃素说”有问题，因为如果燃烧释放出某些物质，灰烬的质量要变轻才合理。想到这一点，拉瓦锡又回顾了黑尔斯曾经的发现：黑尔斯让化学家们认识到，气体可以从物质中分解出来；那么反过来想，燃烧是否也可能是物质与空气的化合？这样想的话，不需要火元素也可以解释燃烧现象了。
这一年里，拉瓦锡设法验证自己的猜想，终于发现了最适合的实验材料：白磷。他把盛有白磷的小舟放到水银面上[5]，再用烧红的铁丝把磷点燃，立即罩上钟罩。罩里浓烟弥漫，燃烧的白磷很快就熄灭，水银面上升到1/5左右。将所生成的白色粉末收集起来，与燃烧前对比，增加的重量和所用的1/5体积的空气的质量接近一致。拉瓦锡推出，空气中只有1/5的气体参与燃烧作用。
那么这部分参与燃烧的气体是什么呢？拉瓦锡百思不得其解。直到1774年，拉瓦锡的朋友，一位彬彬有礼的绅士普里斯特利先生访问巴黎，为拉瓦锡带来了自己的最新发现——“脱燃素空气”。普里斯特利向大家介绍，物质在这种气体中燃烧时，火焰特别明亮。拉瓦锡夫妇同在场的众人都表示非常惊奇。
拉瓦锡意识到，所谓“脱燃素空气”很可能就是他正在寻找的空气中参与燃烧的部分。普里斯特利告诉他，这种气体可以通过聚焦太阳光，加热汞灰（氧化汞）得到。拉瓦锡立即重复了这项实验，所得气体的性质与他预期之中的完全相同。拉瓦锡将这种气体命名为“氧气”。至此，燃烧的氧化学说差不多建立起来了。
推翻旧化学理论后，拉瓦锡想，古往今来提出的元素理论没有一个特别合适的，不如自己写一个。
在1789年写成的《化学基础论》这本著作中，拉瓦锡将元素定义为：不能用化学方法再分解的物质。他还列出了世界上第一张近代化学元素表，表中总结了33种他认定是化学元素的物质。其中大部分现在看来是正确的。因此我们说，拉瓦锡是“近代化学之父”。
拉瓦锡之死
法国一度盛行包税制，直到大革命时期才废除。所谓“包税制”就是先向国王交纳一大笔税金，成为“包税官”，再代替政府，向百姓征收税款。这种政策的严重后果类似于“中间商赚差价”：为了使自己利益最大化，包税官往往会设法征收比要上交给国王的那部分多得多的税钱。法国人民对此怨气极大。
拉瓦锡为了募集科研所需的经费，曾经当过一段时间包税官。在法国大革命时，这成了他的一大罪状。
有人为拉瓦锡辩护，说他的科学贡献在法国是最重要的，尤其是他的大部分税收所得，不是用来挥霍享乐，而是用于卓有成效的化学研究。可革命法庭没有采纳这样的辩护，于1794年5月8日将这位著名学者送上了断头台。
就在他死后的第二天，拉瓦锡的科学界同事，法国大数学家和物理学家拉格朗日悲痛地说：“砍掉他的脑袋只需一瞬间，可是，要再出现一位像他那样卓越的科学家，也许要等一百年。”
[3]好望角：地名，位置接近非洲的最南端。
[4]英文中的“气体”（gas）一词就是海耳蒙特发明的。
[5]如果小读者们想亲自做一下拉瓦锡的实验，最好改用没有毒的红磷和水，也能看到一样的现象。