Наиболее известное достижение Рэлея – открытие и выделение аргона (1895), за что ученый был удостоен в 1904 Нобелевской премии по физике. Рэлей занимался также акустикой, оптикой, электричеством и др. Рэлей внес большой вклад в создание теории молекулярного рассеяния света. В 1871 установил закон, согласно которому интенсивность рассеянного средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны (закон Рэлея), объяснил на основе рассеяния причину голубого цвета неба. Рэлей сконструировал многие инструменты и приборы (рефрактометр, дифференциальный манометр, прибор для измерения громкости звука и т.д.).

Был награжден медалями Б.Румфорда, Копли, М.Фарадея. Умер Рэлей в Терлин-Плейсе (графство Эссекс), 30 июня 1919.