1767年，普里斯特利移居利兹，因为住在公众啤酒厂的隔壁，他注意到从发酵用的大桶中有固定空气放出，从此开始他的气体的实验。以前他在沃林顿听过利物浦的特尔涅博士的讲演，但那时他在这方面的知识很贫乏，还不知道在研究固体空气方面，布莱克(1755年)已经比他占先。他著的《用固定空气使水饱和的方法》宣告他发明苏打水，引起了广泛注意。
1773年，他离开利兹去做设尔本勋爵(后来是兰斯道恩侯爵一世，1782年任首相)的“伴读”，薪水很高，可以利用非常好的图书馆及实验设备，并且退休后仍可得到年俸150英镑。普里斯特利就是在威耳特郡的卡恩附近的博务德的设尔本勋爵的乡村邸宅中发现氧气的。不久他同设尔本勋爵同游欧洲大陆，1774年秋天在巴黎同拉瓦锡见面。
7年以后，普里斯特利同设尔本勋爵友好地分手，1780年他住在伯明翰继续做他的实验。陶工约赛亚·魏池武德赠给他许多研究仪器和金钱。由于普里斯特利直率地发表自由的见解，他成为一般平民和上层人物共同仇视的对象。1791年7月14日，在伯明翰举行宴会，庆祝攻陷巴士底狱，虽然他本人并没有出席宴会，依旧被当局煽动的一群暴徒劫掠了他的住宅和实验室。这种劫掠出于一种爱国主义和气度，以致历经了三天，伯明翰呈现英国过去所没有的政治暴力及兽行的荒唐景象。“绅士打扮的人”在普里斯特利的文件中到处搜索，希望找到罪证，可是落了空。
图39约瑟夫·普里斯特利(1733-1804年)
普里斯特利提出严重抗议，一些暴徒的头子后来也受到严惩。他不得不化装潜逃到伍斯特，后来去伦敦，过了一段愉快的时光，虽然他被皇家学会所排斥。有人说他放弃皇家学会会员称号，这个说法是不正确的。但是，终于在1794年4月他被驱逐(在他的儿子之后)去美国，他居住在萨斯奎哈纳的海滨，辞去费拉德尔非亚的化学教授职务后，经过两年重病，在1804年死在那儿。靠他朋友的许多赠礼和设尔本勋爵的年金，普里斯特利被供养得很好，科学研究也有充足的装备和工具。
在私人生活里，普里斯特利是一位彬彬有礼的绅士，有着迷人的、可爱的个性。他的神学和政治著作使他树敌很多，错误究竟在他还是在他的对手一方，尚待争论。但有一点是没有异议的，就是他唯一的目的是求得他所信奉的真理。
他惊人的勤奋，如他自己所说，他经常写到几乎握不住笔；1800年他开始学习中文，1802年他用新发现的伏打电池做实验。他出版大量神学著作，科学上他多少是个业余爱好者。他缺乏化学分析方面的知识，这使他暴露出来许多错误。但是在他自己的研究领域——气体的研究方面仍不失为一位伶俐的、精巧的操作者；如果他在实验中出错，他就直率地承认。他在宗教上虽是异教徒，但在化学上却是正统派，直到临终他还死抱着燃素学说不放，但是他通过自己的实验却为推翻它做了许多工作。
（第十二节）普里斯特利发现氧气
1775年，普里斯特利说，虽然“空气是元素”是一个哲学原理，他在实验过程中，“很快确信大气的空气并不是不变的东西”。1774年8月1日，他在卡恩用火镜加热红色的氧化汞制得氧气，并且证明：(1)氧气实际上不溶于水；(2)它助燃，使蜡烛发出耀眼的光。他自己对实验描述如下。
普里斯特利已经有一个别人送他的大凸透镜(或火镜)，他试图利用它从他的朋友瓦尔泰尔送给他的各种化学药品提取出“空气”，药品中有红色沉淀物(氧化汞)水银烧渣，这是在空气中加热水银制成的，它的性质使化学家长期困惑。他把这种物质放满在小玻璃瓶中，当聚焦日光使之加热时，它就转变为水银。
“后来我得到一个直径12英寸、焦距20英寸的透镜，于是我马上就用它检验一大类天然的和人造的(即人工制备的)物质能产生什么空气……用这个仪器，在大量其他实验之后……在1774年8月1日，我试图从水银烧渣中提出‘空气’，我马上就发现，用这个透镜，空气很快就被赶出来。当我已经得到我所用装置的容量的三四倍时，我放水进去，水不能被吸进去。但使我难以形容的惊奇是蜡烛在这种空气中以极强的火焰燃烧……我真不知道怎么解释它才好。”
早在1775年，普里斯特利发现，老鼠在这种新空气中活的时间为相同容积的普通空气中的两倍，并且取出以后还能复活。他自己吸入这种空气，他的“胸部经过好久一段时间感到特别的轻松畅快”，因此他建议在医学方面应用它(现在已用来治疗气体中毒和肺炎)。他说：“谁知道将来这种纯空气不变成一项时髦的奢侈品呢，但到现在只有两只老鼠和我有过吸入这种气体的特权。”但是，他说，“造物主给我们准备的空气好到我们值得领受的地步”。
1771年，普里斯特利把硝石加热，实际上已经制得氧气，但他把它同空气混淆起来。在他的论文《各种空气的观察》中，他说，“在我从硝石得到的一定量(的空气)中，不仅蜡烛能点燃，而且火焰增大，还听到咝咝声，好像硝石在活火中烧爆的声音”；他把这篇论文重印在《各种空气的实验和观察》的第一卷(1774年，第122页)中，他说：“本书第二部分所述之实验，可以说明，蜡烛在这种空气中甚至燃烧得更好……但是，本文初次发表时，我还想不到自然界会有这种事。”
普里斯特利根据史塔尔的学说假定，蜡烛燃烧时放出燃素，在一闭容器中燃烧过一些时间就熄灭是因为空气为燃素所饱和。所以一般空气能助燃是因为它只是被燃素部分地饱和，还能再吸收更多一些燃素。物质在空气中燃烧仅有适度的火焰，然而在新空气中，火焰就特别明亮。所以，普里斯特利推断新气体必然含有燃素极少或不含燃素，因此称之为脱燃素空气。根据同样的理由，他把在一般空气中物体烧完以后剩下的气体命名为燃素化空气：
燃素化空气(氮)=空气+(舍勒的浊空气)
脱燃素空气(氧)=空气+(舍勒的火空气)
有人曾提到普里斯特利在1774年8月把新气体看成是氧化亚氮，他以前证明过后者能助燃。如果真是这样，他必然忽略了这两种气体有两个重要的差别：一个是氧化亚氮颇溶于水，然而他说新气体不溶于水；另一个是在氧中耀眼地燃烧，在氧化亚氮中燃烧蜡烛有特殊的火焰，这点他在1774年描述得颇为详细，他谈到用铁处理亚硝空气(氧化氮)“不仅能使蜡烛在其中燃烧，而且还可以用另外一个火焰接近它，使之燃烧成一个扩大的火焰(扩张到与蜡烛的火焰距离相等的各处，往往完全同蜡烛的火焰区别不开)”，他还说用水刺激这种气体，这性质就消失了。
识别氧化亚氮和氧的第三个实验是氧化亚氮与氧化氮不起作用，然而氧同氧化氮立刻生成可溶于水的气体，这个试验似乎是在1775年3月1日从巴黎回来以后才做的。他说，他在这天之前不知道新气体的真正本性。在1775年4月他写道：“我现在已经发现一种比普通空气好五六倍的气体。”说他“最初从水银烧渣、铅丹等得到；现在从许多物质如生石灰(和其他不含燃素的物质)和硝石精制取，并且通过一系列实验证明，我们大气的基础是硝石精。我从没有做过比这更使我惊奇或更使我满意的事”。
普里斯特利解释他的实验结果远不如舍勒的叙述深刻，因为舍勒在1773年以前就已证明在燃烧磷时，全部“纯空气”都被吸收，而普卑斯特利的理论要求还得剩下燃素化空气。舍勒把燃素化空气叫“浊空气”，1772年也为丹聂尔·卢瑟福独立地注意到(他后来是爱丁堡的植物学教授)。
在他的论文《学位论文，论所谓固定空气或碳酸气》中，他记述这样的实验，让老鼠在容积界定的空气中呼吸，用苛性碱去掉固定空气(碳酸空气)，结果剩下另一种气体，对动物有害并使火焰熄灭，但与固定空气不同，它不能使石灰水产生沉淀。卢瑟福好像认为这种气体由空气和燃素组成，是从肺或可燃物中放出的，然而舍勒却知道它原来就作为空气的一部分而存在。
卡文迪许也发现氮(他曾把自己的结果告诉普里斯特利)，他的方法是使空气通过红热木炭再用苛性钾碱溶液吸收固定空气。普里斯特利用他的氧化氮法发现空气中含有15体积的脱燃素空气，这是一个准确的结果，舍勒求出的是14到13，拉瓦锡用各种方法求出的是从14到16。大体说来，普里斯特利是个准确的实验家，他的定量结果一般都不错。
1772年，普里斯特利发现用火(凸面)镜加热锡和铅时，空气最多缩减14，剩余的气体不能和石灰水或氧化氮起作用。他关于氮的氧化物的研究非常好。除了发现氧化亚氮以外他还通过用浓硝酸和铋起作用和把硝酸铅加热制取二氧化氮，他注意到二氧化氮加热时颜色变深。他注意到(1777年；温采尔在1777年也观察到)铁在浓硝酸中变成钝态；氧化亚氮可被老鼠呼吸(1781年；虽然后来他说它对动物是致命的)；氧化氮使硫酸亚铁溶液变成暗色溶液(1779年)。在氧化氮气体中，他利用火镜和热铁得到一半体积的氮气(1786年)。他用二氧化氮与浓硫酸作用制取结晶亚硝基硫酸(1779年)。
普里斯特利在他论呼吸的论文中，说血液的功能是把燃素从组织中释放出来。他证明空气可以通过一小块膀胱膜作用在血液上。
虽然普里斯特利的多数实验结果是准确的，但他应用燃素学说解释这些结果就导致错误。这方面，他对自己坦率的批评是很中肯的：“我有慎重地全面地对待事实这个好习惯；但从中得出的结论，往往不是非常靠得住。”但他不公平地把自己的大多数发现归诸“运气”。他的《论燃素学说》(1796年)和他的《被证实的燃素学说》(1800年)表现出他反对拉瓦锡的新理论的最终立场。
