Posteriormente se dedicó a la Química, arruinándose al gastarse todo el dinero que poseía en comprar el instrumental apropiado.

Su trabajo más importante se basó en las experiencias que realizaron sobre dilatación y medida de las temperaturas, transferencia del calor y calor específico de los gases, que les condujo a establecer la ley empírica sobre los calores específicos conocida como «ley de Dulong y Petit» (1819), que posteriormente sería utilizada en la determinación de pesos atómicos.

Dedujo también que los cambios de temperatura que acompañan estos cambios son inversamente proporcionales a las capacidades caroríficas de los gases a volumen constante.

Con François Arago publicó un estudio de la elasticidad del vapor a altas temperaturas (1830).

Su último artículo (1838) describe los experimentos que realizó para determinar el calor desarrollado en una reacción química.