Работы и открытия Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии (еще не выделившейся в самостоятельную науку). Первая его работа посвящена винной кислоте, выделенной им в 1769 из винного камня. В дальнейшем Шееле открыл много других органических кислот: щавелевую, мочевую, молочную, лимонную, яблочную и др. Показал, что молочная кислота, выделенная из кислого молока, несколько отличается от аналогичной кислоты из других источников. Это различие нашло объяснение лишь спустя столетие, после открытия изомеров. Особый интерес представляет получение Шееле синильной кислоты из угольного ангидрида, угля и аммиака. Этот опыт некоторые авторы рассматривают как первый органический синтез, осуществленный за сорок лет до Вёлера. В ходе работ по получению синильной кислоты Шееле выделил краску, получившую название «берлинской сини».

Шееле открыл и изучил множество новых неорганических соединений (кислот, солей, оксидов) и элементов. Изучая плавиковый шпат, получил (1771) плавиковую (фтористоводородную) кислоту и фтористый кремний. В 1774, исследуя пиролюзит («черную магнезию»), показал, что он является соединением неизвестного металла, впоследствии названного марганцем. В этом же исследовании им была открыта «тяжелая земля» – оксид бария. Действуя на «черную магнезию» соляной кислотой, Шееле открыл зеленоватый удушливый газ, названный им «дефлогистированной соляной кислотой». Его природа была установлена позднее другими учеными, и ему было присвоено название хлор. В 1775 ученый открыл мышьяковую кислоту, окисляя мышьяковистый ангидрид. Окислением минерала молибденита получил «молибденовую землю», т.е. молибденовый ангидрид. Обрабатывая кислотами минерал тунгстен, получил «тунгстеновую кислоту» – вольфрамовый ангидрид. Впоследствии минералоги назвали вольфрамит кальция в честь ученого шеелитом.