Кавендиш содействовал становлению химии как науки прежде всего тем, что изучал не только качественную, но и количественную сторону явлений. Он подчеркивал необходимость количественных исследований в своем девизе: «Все определяется мерой, числом и весом» и способствовал сознательному применению количественных методов исследований в химии. Изучая количественно состав атмосферного воздуха, Кавендиш установил, что содержание кислорода (который он называл «дефлогистированным воздухом») в среднем составляет в нем 20,84%. После того как было установлено, что воздух состоит из нескольких газов, считалось, что содержание кислорода в воздухе горных долин, морских берегов и в других местах различно.
Пропуская через воздух электрические разряды, Кавендиш установил, что при этом в присутствии влаги образуется азотная кислота. Затем Кавендиш пропускал через смесь атмосферного воздуха и кислорода электрические разряды до тех пор, пока взятые объемы газа не перестали уменьшаться за счет образования оксидов азота, которые поглощались раствором едкого кали. После окончания реакции ученый отделил от смеси избыточный кислород, и нашел, что объем непрореагировавшего газа составляет около 1/120 первоначального объема воздуха. Вследствие несовершенства методов анализа и приборов. Кавендиш не смог обнаружить в полученном остатке газов новые элементы. Эти элементы были открыты спустя сто с лишним лет. Релеем и Рамзаем и названы благородными (инертными) газами.
Изучая взаимодействие металлов (железа, цинка) с разбавленной серной кислотой, Кавендиш наблюдал выделение «горючего воздуха» (водорода). Особый интерес Кавендиша вызвали легкость водорода, его большая горючесть и высокая реакционная способность. При изучении этих свойств Кавендиш окончательно уверовал в то, что ему наконец-то удалось получить в свободном состоянии неуловимый флогистон. Действительно, этот газ на первый взгляд имел две характерные особенности флогистона. Большая горючесть газа указывала на высокое содержание в нем флогистона, а способность восстанавливать оксиды металлов без образования остатка была свойством, присущим, как считалось, только флогистону. Кавендиш нашел, что плотность нового газа (по отношению к воздуху) равна 0,09. Кавендиш считал плотность характерным свойством каждого вещества и, пользуясь этим, показал, что при взаимодействии различных металлов с разбавленной серной кислотой всегда выделяется один и тот же газ. В 80-х годах Кавендиш решил выяснить, куда исчезает «дефлогистированный воздух» (кислород) при горении. Путем опытов он показал, что этот «воздух» «связывается» с металлами и другими горючими веществами. Так он и стал объяснять горение водорода, повторив со значительно большим размахом известные ему опыты английского ученого Уолтайра. Последний наблюдал, что стенки лабораторных приборов при пропускании электрических разрядов через смесь водорода и атмосферного воздуха покрываются влагой.
