Наибольших успехов Дэви достиг в электрохимии. Первые его работы в этой области были посвящены изучению действия электрического тока на химические соединения. Дэви показал, что электрический ток вызывает разложение (электролиз) кислот и солей. В 1807, используя самый большой на то время «вольтов столб», получил электролизом два новых элемента из расплавов их соединений – металлические калий и натрий. В 1808 аналогичным путем были получены еще четыре металла: барий, кальций, стронций и магний, затем из борной кислоты выделен бор. Дэви принадлежат исследования, позволившие установить природу хлора и иода; он пытался также получить в чистом виде фтор и другие галогены. Эти исследования привели его к созданию водородной теории кислот, опровергавшей утверждение А.Лавуазье, что каждая кислота содержит кислород.

В 1810 Дэви, используя мощную электрическую батарею из 2 тыс. гальванических элементов, получил электрическую дугу между двумя угольными стержнями, соединенными с полюсами батареи (позже эту дугу назвали вольтовой). В 1815 вместе с М.Фарадеем изобрел безопасную рудничную лампу; за это изобретение был награжден медалью Б.Румфорда.

В 1803 Дэви был избран членом Лондонского королевского общества, в 1820–1827 был его президентом. Умер Дэви в Женеве 29 мая 1829.