Seine epochale Leistung bestand darin, dass er den Zusammenhang zwischen Thermodynamik und Mechanik klärte und durch die Vielfältigkeit und Bedeutung seiner wissenschaftlichen Entdeckungen zu den größten Naturforschern aller Zeiten zu zählen ist. Er war Vorkämpfer der Maxwellschen elektromagnetischen Lichttheorie, begründete das von seinem Vorgänger Stefan gefundene Strahlungsgesetz, befasste sich besonders mit der kinetischen Gas- und der mechanischen Wärmetheorie und gilt als Pionier der Atomtheorie.