Hij deed veel onderzoek op het gebied van de organische scheikunde. In 1808 bereidde hij, samen met L. J. Gay-Lussac, als eerste het element kalium door reductie van een kaliumzout met ijzervijlsel en het element boor door reductie van boorzuur met kalium.
In 1811 isoleerde hij silicium. Hij ontwikkelde de elementair analyse (1810) en van 1813 – 1816 gaf hij zijn befaamde 4-delig handboek voor de scheikunde uit.
Hij ontdekte een aantal verbindingen, onder andere waterstofperoxide en kobaltblauw, ook wel thenardblauw genoemd. Het mineraal thenardiet is naar hem genoemd.