Estableció la existencia de los gases nobles, descubriendo el argón e investigando las propiedades físicas de los gases.
Comenzó a trabajar en 1879 como profesor de física experimental en dicha universidad y como director del Laboratorio Cavendish de física experimental (1879-1884).
Las primeras investigaciones de Rayleigh se recogen en su obra The Theory of Sound (2 vols., 1877-78), en la que se describe un nuevo procedimiento para medir las vibraciones acústicas.
También hizo estudios acerca de la capilaridad y del electromagnetismo y aportó ideas a la teoría de la formación y estabilidad de las venas líquidas.
Durante 1919, Rayleigh fue presidente de la Sociedad para la Investigación Psíquica.