En 1766, Priestley conoció a Benjamin Franklin (1706-1790), que por aquella época ya era un científico muy reputado. El encuentro con Franklin supuso una fuente de inspiración para la futura carrera científica de Priestley. A partir de aquel momento empezó a investigar en electricidad, publicando en 1767 un tratado sobre la historia de la electricidad, en el que incluyó numerosos experimentos realizados por él mismo.

Realizó una extensa investigación con gases. Investigó con dióxido de carbono (“aire fijado”, en la nomenclatura de la época), que había sido descubierto por Joseph Black en 1753. Prestley identificó el dióxido de carbono como un producto de la combustión, de la respiración y de la fermentación de ciertas bebidas alcohólicas. Encontró un método de producir disoluciones de dióxido de carbono, patentando el invento y logrando las primeras bebidas carbonatadas (1772). También preparó monóxido de carbono, pero no estudió sus propiedades.

Su mayor logro fue el descubrimiento del oxígeno (al que llamó ‘aire desflogisticado’) el 1 de agosto de 1774. Lo obtuvo al calentar óxido de mercurio. Este descubrimiento lo había hecho Carl Scheele un año antes, pero no lo publicó. Sin embargo, Priestley, que era un firme defensor de la teoría del flogisto (una teoría con poca base científica) no fue capaz de reconocer la importancia de su descubrimiento, lo que hubiese derribado la teoría del flogisto. La importancia del oxígeno para explicar las reacciones químicas fue magistralmente desvelada por Lavoisier en 1777, por lo que frecuentemente se considera a Lavoisier el descubridor del oxígeno. La historia del descubrimiento del oxígeno lleva a la reflexión sobre ‘el descubrimiento científico y la consciencia de haber descubierto algo‘.