Tvorca atómovej teórie, objaviteľ zákona parciálneho tlaku a zákona násobných zlučovacích pomerov. Prvým vedeckým záujmom Daltona boli plynné látky. V tejto oblasti urobil aj najviac experimentálnych prác. Študoval vzájomné miešanie plynov, ich rozpustnosť v kvapalinách a zistil, že plyny a pary sa teplom rovnomerne rozťahujú. V roku 1803 formuloval zákon stálych zlučovacích pomerov a zákon násobných zlučovacích pomerov, ku ktorým dospel na základe svojej atómovej hypotézy. Prvý krát ju formuloval na prednáške Manchesterskej literárnej a filozofickej spoločnosti 21. októbra 1803 ako súborné dielo: ,,Nová sústava chemickej filozofie“ (New System of Chemical Philosophy ), hlavné myšlienky atómovej teórie predstavovali tézy: Všetky látky sa skladajú z veľmi malých častíc- atómov. Atómy sú nezničiteľné, nedeliteľné a navzájom sa priťahujú vzájomnými silami. Jeden prvok môže obsahovať len atómy jedného druhu. Atómy rôznych prvkov sa od seba navzájom odlišujú veľkosťou, hmotnosťou a tvarom. Pri chemických reakciách atómy ani, nevznikajú, ani sa nerozkladajú. Chemické reakcie sú len spájaním a rozpájaním atómov, ktorých podstata sa pritom nemení. Táto teória umožnila kvantitatívne objasňovanie chemických reakcií. Nielenže jednoznačne objasňovala zákon zachovania hmotnosti, zákony stálych zlučovacích pomerov a stálych násobných pomerov, ale ako experimentálne zdôvodnená teória podnietila a podporila ďalší rozvoj chémie.