化学：17世纪时，这一领域中全是巫师和金属工匠。
在波义耳那个时代，还没有一个被称为“化学”的探索领域。自古以来，工匠们都在与贵重金属和染料打交道，这就要求他们掌握一些化学反应的实用知识。古埃及人和古希腊人知道熔化和过滤，结晶和蒸馏。他们知道如何利用锻铁炉和火炉来改变原材料的成分，他们还熟练地用硫黄、砷和汞改变金属的颜色；打个比方，砷会让铜变成白色，使铜“转化”（在观察者看来）成为完全不同的物质。
这些技术被称为“chemia”（化学），这个词是希腊人从埃及词汇中借用的。在随后的几个世纪，阿拉伯工匠进一步发展了chemia（阿拉伯语中被称为al-chemia），他们在实践中推测所发生的转化的性质。9世纪时，至少有两位阿拉伯思想家［巴格达神秘主义者贾比尔·伊本·哈扬（Jabir ibn Hayyan）和波斯物理学家阿布·伯克尔·穆罕默德·伊本·宰凯里雅·拉齐（Abu Bakr Muhammad ibn Zakariyya al-Razi）］认为，金属不是由传统的四元素构成的，而是由添加进去的汞和硫黄构成的［亚里士多德的作品《气象学》（Meteorology）中曾暗示了这一观点］。13世纪时，另一个亚里士多德学派的人，意大利冶金学家吉伯（Geber）认为物质实际上是由corpuscles（细胞）而非原子构成的。根据定义，原子是不可分割的；但是细胞可以被汞穿透，这就会使细胞的内部结构发生改变。如果物质是由细胞构成的，那么金属之间的转化——铜转化为银，或者是铅转化为金——都真的可能发生。
这是一个重要的科学理论，但是，无价值的金属可能会变成金子，这让骗子们也开始炼金（al-chemia），他们熟练这一造假转化，并将假“金子”卖给易受骗的买家。16世纪时，德国医生帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）为炼金术挽回了一些名声，他对以炼金术作为生产更好药物的手段非常感兴趣，认为所有的自然变化（生长和发展，发酵和消化）本质上都是炼金化学。帕拉塞尔苏斯认为，应该将亚里士多德的四元素替换为三要素（9世纪炼金术师所用的硫黄和汞，再加上盐），但是帕拉塞尔苏斯本人一方面是一个难以相处的极端利己主义者，另一方面他将视线局限在炼金术在医药方面的应用；因此，他的理论并没有在广阔的自然哲学世界取得什么进展。
波义耳相信炼金术——对物质组成的研究——可以为自然哲学做出很多贡献，就像物理学或天文学曾经做出的那样。通过实验，波义耳得知不管是亚里士多德学派理论的四元素，还是帕拉塞尔苏斯体系的三要素，都经不住反复的实验。根据亚里士多德，火总是将其他元素转化为火；波义耳问：自然为什么总是在他的化学熔炉中“错失她的目标”？
火焰把砖烧得通红，却不能把砖转化成火，坩埚也不能，烤皿也不能，尽管火焰能吞噬金和银（也不能把它们转化为火）……即便是用火点燃木头，木头只有一部分转化为火焰，且不说产生的煤烟和烟尘，燃烧后的灰烬仍旧是静止的不可燃物。
至于帕拉塞尔苏斯的三要素，波义耳怀疑硫黄是否真的是“原始的元素”，因为他早已生产出“含硫液体”作为试验用材，这是一种馏出液，通常，“化学家们”认为其中根本不含硫黄。
1661年，波义耳出版了他的第二本主要作品《怀疑派的化学家》（The Sceptical Chymist）。作品的结构非常传统，是四个人物之间的对话：瑟米斯蒂厄斯（Themistius），亚里士多德派的信徒；菲洛波努斯（Philoponus），帕拉塞尔苏斯主义者；卡涅阿德斯（Carneades），波义耳的发言人；埃留提利乌斯（Eleutherius），一个对对话饶有兴趣的旁观者。埃留提利乌斯提出一些有价值的问题，瑟米斯蒂厄斯和菲洛波努斯则分别为四元素或三要素做辩论，卡涅阿德斯则驳倒二人的观点。
但是就卡涅阿德斯提供的论证而言，《怀疑派的化学家》一点都不传统。他的辩驳并不是（像亚里士多德和哥白尼那样）基于他已经得到了更好的、更合乎逻辑的答案。事实上，尽管卡涅阿德斯提供了关于物质的另一条理论（是吉伯“细胞”的一个版本，认为细胞是一种“普遍存在的物质”，它们聚集在一起，也可以被分开、改变和转变），但他也意识到他并没有证据。
但他重复做过大量缜密的实验，这些实验推翻了亚里士多德学派和帕拉塞尔苏斯派的观点。埃留提利乌斯，这个聪明的外行人，对此感到非常高兴。他赞许地对卡涅阿德斯说道：
我十分高兴，在这种情况下，你决心坚持实验方法而非诡辩。因为我，无疑还有你，早已注意到，经院哲学家面对生理学谜团时经常运用的诡辩术，往往只能显示出诡辩者思维敏捷，并不能增加知识或消除严谨的真理爱好者的疑问。
诡辩——这样一个连贯、统一的体系中——是找不到真理的，只有在反复的实验中才能找到真理。
在《怀疑派的化学家》一书中，波义耳近150次提到了实验证据。此外，正如他在序言中所指出的，这些实验已在实验室中进行过——而不仅仅停留在思考问题的阶段。波义耳一直对许多同时代人的一个习惯感到愤怒，他们高谈阔论物质世界，并称自己是基于“化学实验，无疑他们从没做过；如果他们做过，他们就会……发现它们是错误的”。同时代的布莱斯·帕斯卡（Blaise Pascal）的《物理学论文》（Physical Treatises）一书使波义耳尤为愤怒，书中宣称其关于液体的理论是基于实验得出的，而实际上帕斯卡的“实验”不过只是“心理”实验。“实验需要的是黄铜圆柱形容器，或塞子，”波义耳不满地说，“这些器皿必须制作精确，即便是有误差，这个误差也（细微到）只能被数学家发现，而几乎不可能被工匠发现。”这还不够好。只有推理是无法得出真理的：“复杂且艰难的实验”是不可或缺的。这就是为什么在序言中，波义耳也提醒读者“不要鲁莽地相信化学实验……除非那些实验者说他们的实验是基于他们特有的知识”。
并且，即使这样，实验也应该再做一次，然后再重复一次。“仔细实验，重复实验，在此基础上，你才能建立起重要的理论或实践的上层结构，”波义耳后来对读者说，“并且……要认识到只做一次实验是不可靠的。”条件或物质的变化会对实验结果造成极大的影响。只有那些可以被反复验证的结果才可以作为理论的基础。
培根已为现代科学方法奠定了基础，但是波义耳对工具的运用才使现代科学的实验阶段真正形成。《怀疑派的化学家》的历史地位得以保障，不仅仅是因为其结论，更是因为其过程；不仅仅是因为最后所揭示的真理，更是因为获得真理的方法。