由于战乱、父亲去世、家道衰落，1644年他回国随姐姐居住在伦敦。在那里开始学医学和农业。学习中接触了很多化学知识和化学实验，很快成为一位训练有素的化学实验家，同时也成为一位有创造能力的理论家。在这期间，他同许多学者一起组织一个科学学会，进行每周一次的讨论会，主要讨论自然科学的最新发展和在实验室中遇到的问题。波义耳称这个组织为“无形大学”。这个学会就是著名的以促进自然科学发展为宗旨的“皇家学会”的前身。波义耳是该学会的重要成员。由于学会的分会设在牛津，波义耳于1654年迁居牛津，在牛津，他建立了设备齐全的实验室，并聘用了一些很有才华的学者作为助手，领导他们进行各种科学研究。他的许多科研成果是在这里取得的。那本划时代的名著《怀疑派化学家》是在这里完成的。这本书以对话的体裁，写四位哲学家在一起争论问题，他们分别为怀疑派化学家、逍遥派化学家、医药化学家和哲学家。逍遥派化学家代表亚里土多德的“四元素说”观点，医药化学家代表“三元素说”观点，哲学家在争论中保持中立。在这里，怀疑派化学家毫不畏惧地向历史上权威的各种传统学说提出挑战，以明快和有力的论述批驳了许多旧观念，提出新见解。该书曾广泛流传于欧洲大陆。
波义耳十分重视实验研究。他认为只有实验和观察才是科学思维的基础。他总是通过严密的和科学的实验来阐明自己的观点。在物理学方面，他对光的颜色、真空和空气的弹性等进行研究，总结了波义耳气体定律；在化学方面，他对酸、碱和指示剂的研究，对定性检验盐类的方法的探讨，都颇有成效。他是第一位把各种天然植物的汁液用作指示剂的化学家。石蕊试液、石蕊试纸都是他发明的。他还是第一个为酸、碱下了明确定义的化学家，并把物质分为酸、碱、盐三类。他创造了很多定性检验盐类的方法，如利用铜盐溶液是蓝色的，加入氨水溶液变成深蓝色（铜离子与足量氨水形成铜氨络离子）来检验铜盐；利用盐酸和硝酸银溶液混合能产生白色沉淀来检验银盐和盐酸。波义耳的这些发明富有长久的生命力，以至我们今天还经常使用这些最古老的方法。波义耳还在物质成分和纯度的测定、物质的相似性和差异性的研究方面做了很多实验。
1668年，由于姐夫去世，他又迁居伦敦和姐姐住在一起，并在家的后院建立实验室，继续进行他的实验工作。晚年波义耳的工作主要集中在对磷的研究上。1670年，波义耳因劳累而中风，之后的健康状况时好时坏，当无法在实验室进行研究工作时，他致力于整理他多年从实践和推理中获得的知识。只要身体稍感轻快，就去实验室做他的实验或撰写论文，并以此为乐趣。1680年，他曾被推选为皇家学会的会长，但他谢绝接受这一荣誉。他虽出身贵族，但他一生醉心的却是在科学研究中工作和生活，他从未结婚，用毕生精力从事对自然科学的探索。1691年12月30日，这位曾为17世纪的化学科学奠定基础的科学家在伦敦逝世。恩格斯曾对他作出最崇高的评价：“波义耳把化学确定为科学。”
