프리스틀리는 리즈에서 ‘여러 종류의 공기’

연구를 시작했다. 그가 발견한 것들은 이후 화학에서의 중심적인 이론으로 자리잡았다. 그가 살던 곳은 양조장 근처였는데, 양조 과정에서 거품이 일어나는 것을 보고 이를 관찰하여 이산화 탄소의 성질을 규명하기도 했다.[12] 이전까지 기체의 종류는 공기, 이산화 탄소, 수소밖에 알려져 있지 않았다. 그러나 이 시기에 프리스틀리는 금속과 질산을 가지고 실험을 진행하다가 일산화 질소를 발견하였으며, 일산화 질소를 공기와 섞자 이산화 질소가 발생하는 것 또한 발견했다. 그는 일산화 이질소도 발견하였고, 헨리 캐번디시가 1766년 《철학회보》(Philosophical Transactions)에 제출한 논문을 토대로 실험을 하다가 염화 수소 기체를 발견하기도 했다.[13] 이와 동시에 그는 수많은 실험 기구를 고안했다. 이러한 기체에 관련된 연구는 이후 칸 거주 시절에 출판된 《여러 종류의 기체에 관한 실험과 관찰》(Experiments and Observations on different Kinds of Air, 1774~86년)에 저술되었다. 프리스틀리는 기체를 다루는 실험에 대한 글을 《철학회보》에 기고하였는데, 이것이 프랑스의 화학자 앙투안 라부아지에의 관심을 끌었고, 라부아지에는 추가적인 연구를 통하여 프리스틀리의 실험에 대한 이론적 설명을 제공했다.