Работы Дальтона посвящены молекулярной физике. Дальтон стремился понять, почему газы атмосферы составляют смесь с определенными физическими свойствами, а не располагаются друг под другом слоями соответственно своей плотности. Установил, что поведение данного газа в смеси не зависит от состава смеси; открыл закон парциальных давлений газов, зависимость растворимости газов от их парциального давления. Установил также, что при постоянном давлении с повышением температуры все газы расширяются одинаково (адиабатическое расширение).

Ученый ввел понятие атомной массы и, приняв за единицу массу атома водорода, в 1803 составил первую таблицу относительных атомных масс элементов. Исходя из закона постоянства состава соединений, установил, что в различных соединениях двух элементов на одно и то же количество одной составной части приходятся количества другой, относящиеся между собой как простые целые числа (закон кратных отношений). Дальтон рассматривал химические реакции как связанные друг с другом процессы соединения и разъединения атомов. Только так можно было объяснить, почему превращение одного соединения в другое сопровождается скачкообразным изменением состава. Поэтому каждый атом любого элемента должен, кроме определенной массы, обладать специфическими свойствами и быть неделимым. Однако Дальтон не делал различия между атомами и молекулами, называя последние сложными атомами.

В 1816 Дальтон был избран членом Французской Академии наук, председателем Манчестерского литературно-философского общества, а в 1822 – членом Лондонского королевского общества. В 1832 Оксфордский университет присудил Дальтону степень доктора юридических наук.

Умер Дальтон в Манчестере 27 июля 1844.