Gay-Lussac si occupò dello studio delle proprietà dei gas e delle reazioni tra essi, in condizioni di temperatura e pressione variabili. Egli osservò, ad esempio, che quando l'idrogeno e l'ossigeno reagiscono tra di loro a formare acqua nello stato gassoso, perché la reazione avvenga il volume dell'idrogeno deve essere il doppio di quello dell'ossigeno. Questa proporzionalità dei volumi fu osservata anche nella reazione di un volume di idrogeno con un volume di cloro e in altre reazioni tra gas.
Gay-Lussac arrivò così a formulare la legge che prende il suo nome:
i volumi di gas, reagenti o prodotti in una reazione, misurati nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, stanno tra loro in rapporti esprimibili con numeri piccoli e interi.
Gay-Lussac afferma dunque che i volumi dei gas reagenti o prodotti sono in rapporti semplici.
È stato dimostrato che la legge di Gay-Lussac è corretta, ma all'epoca della sua scoperta i risultati da lui riportati risultavano essere in contrasto con la teoria atomica, motivo per cui ricevette molteplici polemiche.
La legge era in contrasto con il concetto di indivisibilità degli atomi e inoltre si pensava che atomi uguali non potessero reagire tra di loro a formare una molecola.
Furono gli studi del fisico italiano Amedeo Avogadro che misero in evidenza che la teoria atomica e la legge di Gay-Lussac erano tutt'altro che contrastanti.
La legge di Avogadro
La legge di Avogadro afferma che:
volumi uguali di gas diversi, a parità di condizioni di temperatura e pressione, contengono un ugual numero di molecole.
Il principio di Avogadro asserisce che gas diversi, in condizioni di temperatura e pressione costante, occupano volumi uguali indipendentemente dal tipo di molecole che li compongono e dalla loro dimensione ma dipendentemente unicamente dal numero di particelle. 
Avogadro intuì che i gas non erano costituiti da singoli atomi bensì da molecole. Egli affermò che l'ossigeno, l'azoto e il cloro erano composti da molecole biatomiche, ossia costituite da due atomi di ossigeno (O2), due atomi di azoto (N2) o due atomi di cloro (Cl2).
La legge di Avogadro si deriva dall'equazione di stato dei gas perfetti (
dove P = pressione;
R = costante universale dei gas;
T = temperatura;
n = numero di moli;
V = volume.
In condizioni di T = 0°C e P = 1 atm, una mole di qualsiasi gas occupa un volume di 22,4 L.
Prima della scoperta di Avogadro si pensava che i gas fossero costituiti da singoli atomi e non da molecole. Dalla reazione di idrogeno e cloro ci si aspettava la produzione di un volume di acido cloridrico. Le osservazioni sperimentali però dimostravano che dalla reazione di idrogeno e cloro si ottengono due volumi di acido cloridrico.
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