Работы Клапейрона посвящены тепловым процессам. В 1834 он ввел в термодинамику графический метод, представив в геометрической форме рассуждения Карно. В 1834 вывел уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона), объединяющее закон Бойля – Мариотта, закон Гей-Люссака и закон Авогадро. Это было наиболее простое соотношение, применимое с определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и высоких температурах (в 1874 оно было обобщено Д.И.Менделеевым и теперь известно как уравнение Менделеева – Клапейрона). Получил уравнение, связывающее между собой температуру кипения (или плавления) веществ и давление (уравнение Клапейрона – Клаузиуса; последний обосновал это уравнение в 1851).

Умер Клапейрон в Париже 28 января 1864.