По предложению Бенджамина Франклина, американского учёного и государственного деятеля, Пристли в 1767 г. написал монографию «История учения об электричестве». За эту работу Пристли был избран почётным доктором  Эдинбургского университета. Тогда же Пристли приступил к своим химическим экспериментам. Учёный заинтересовался прежде всего пневматической химией; он начал изучать «воздух», выделяющимся при брожении и не поддерживающим дыхания и горения. В 1771 г. Пристли сделал замечательное открытие: он подметил, что зелёные растения на свету продолжают жить в атмосфере этого газа и даже делают его пригодным для дыхания. Классический опыт Пристли с живыми мышами под колпаком, где воздух «освежается» зелеными ветками, вошёл во все элементарные учебники естествознания и лежит у истоков учения о фотосинтезе. Этот «связанный воздух» – углекислый газ – за 15 лет до Пристли открыл Джозев Блэк, но более подробно изучил его и выделил в чистом виде именно Пристли. В 1772-1774 гг. Пристли детально исследовал полученный им при взаимодействии поваренной соли и серной кислоты «солянокислый воздух» – хлористый водород, который он собрал над ртутью. Действуя разбавленной азотной кислотой на медь, получил «селитряный воздух» – окись азота; на воздухе этот бесцветный газ бурел, превращаясь в диоксид азота. Пристли же открыл и закись азота. Следующим его открытием был «щелочной воздух» – аммиак.

Крупнейшим вкладом Пристли в химию газов стало открытие им кислорода, сделанное летом 1774 г. Учёный наблюдал выделение кислорода при нагревании без доступа воздуха оксида ртути, находящегося под стеклянным колпаком, с помощью линзы. Газ Пристли собирал в ртутную пневматическую ванну. В собранный газ Пристли из любопытства внес тлеющую свечу, которая вспыхнула необыкновенно ярко. Пристли счёл полученный им газ «дефлогистированным воздухом», который особенно хорошо поддерживает горение из-за своей большей по сравнению с обычным воздухом способности поглощать флогистон.

Через два месяца после открытия кислорода Пристли, приехав в Париж, познакомил с результатами своих опытов Лавуазье. Французский химик, активно занимавшийся исследованиями процессов горения, тотчас понял громадное значение открытия Пристли, и использовал его для создания своей кислородной теории. Пристли же, напротив, оставался убеждённым сторонником флогистонной теории и защищал свои представления даже после того, как кислородная теория Лавуазье, получила всеобщее признание.

Помимо занятий химией, Пристли принимал активное участие в политической жизни. Он выступал против английского колониального господства в период Войны за независимость в Северной Америке 1775–1783 гг., восторженно приветствовал Великую французскую революцию, был активным членом Общества друзей революции. 14 июля 1791 г., когда Пристли со своими единомышленниками собрались в его доме, чтобы отметить годовщину взятия Бастилии, толпа сожгла его дом, где находились лаборатория и библиотека. Пристли перебрался в Лондон, а в 1794 г. эмигрировал в США, в Нортамберленд, штат Пенсильвания, где провёл последние десять лет своей жизни.