Работы Дюма относятся преимущественно к области органической химии. В 1826 он предложил способ определения плотности паров различных веществ. В 1827 определил состав ацетона и сложных эфиров; совместно с П.Булле высказал предположение, что этиловый спирт и его эфиры – это производные этилена. На этом основании ими была построена теория этерина, которую можно считать предшественницей теории радикалов. В 1837 Дюма и Либих в совместной статье определили органическую химию как химию сложных радикалов – групп атомов, остающихся неизменными в ходе химической реакций.

В 1830 Дюма предложил способ определения азота в органических соединениях (метод Дюма). В том же году начал опыты по замещению водорода органических соединений атомами галогенов. Действуя хлором на уксусную кислоту, получил новое вещество – трихлоруксусную кислоту. Это открытие нанесло удар по дуалистической теории Берцелиуса, согласно которой электроотрицательный хлор никак не мог замещать электроположительный водород. 13 января 1834 Дюма сделал доклад в Академии наук, сообщив, «хлор обладает удивительным свойством притягивать к себе водород и замещать его атом за атомом». Объединив все полученные им данные, Дюма сформулировал эмпирические правила металепсии (от греческого «замещать»). В 1840 он (совместно с А.Реньо) предложил рассматривать химические соединения как продукты «замещения» атомов немногих основных соединений, названных «типами». Механическая теория «типов» вместе со старой теорией радикалов благодаря трудам Лорана, Жерара и др. привела в 50-х годах 19 в. к созданию теории радикалов. В 1843 Дюма сообщил о существовании гомологического ряда – муравьиной кислоты и вывел общие правила для гомологических рядов в органической химии.

Следует отметить и такие труды Дюма, как получение метанола из мятного масла (1825), извлечение антрацена из каменноугольной смолы (1831), установление (совместно с Э.Пелиго) того факта, что жиры являются сложными эфирами. Кроме того, ученый занимался вопросами кроветворения, определения химического состава крови, борьбы с филлоксерой (вредителем виноградников).

Дюма – автор учебника по химической технологии Курс химии в приложении к ремеслам (Trait de chimie applique aux arts, v. 1–8, 1828–1846) и выдержавшего несколько изданий Лекций по химической философии, где изложено развитие химических теорий. В 1840 Дюма был избран членом Лондонского королевского общества, в 1880 – Берлинской академии наук, в 1845 – иностранным членом Петербургской академии наук. В 1859 стал президентом Французского химического общества.

Умер Дюма в Каннах 11 апреля 1884.