波义耳一生辛勤研究，他的全部工作都受一种理论的指导，他把这种理论称作“微粒哲学”。在古希腊时期，希罗就曾经认为空气是基本粒子。早期空气弹性实验及其发现波义耳定律，更加强了波义耳的信念。他认为，物质的微粒及其运动才是宇宙的基本质料。这一思想在波义耳的《形式和质料的起源》一书中阐述得极为详尽。
波义耳既接受了欧洲的传统认识，又批判吸收了古希腊的成果。早在文艺复兴时期，人文主义者翻译希腊原子论时，就产生了这样的认识。公元1473年首次出版了公元前1世纪的卢克莱修的长诗《物性论》，它阐述了经过伊壁鸠鲁发展了的德谟克利特的原子学说。该书介绍了古希腊的自然观：虚空中漂浮着物质的微粒，即原子，原子有大小形状的不同，进行着永无休止的运动。1575年希罗的《气体力学》第一本全译本问世，希罗并没有假定有一个连续的虚空，而是在毫无区别的微粒之间有大小不等的孔隙，使气体能够膨胀或收缩。
伽利略接受了希罗的观点，他认为原子的运动决定原子的性质。弗兰西斯·培根接受了物质是由微粒构成的学说，没有接受德谟克利特的原子理论。但他推崇运动的重要作用，认为科学应当努力研究如何发现各种运动形式。总之，在波义耳之前，超自然力量就已经被逐出了物理学和化学领域。
波义耳时代，科学界主流派主张“机械论”，更加宣传微粒永存的思想。微粒加运动仿佛就可以解释整个世界的奥秘。
波义耳一生倡导微粒哲学，非常严格地遵循机械论解释的原则。他很熟悉伽桑狄和笛卡儿的著作。波义耳认为，构成自然界的材料是一些细密、用物理方法不可分割的粒子。粒子结合成更大的粒子团，粒子团往往作为基本单位参加各种化学反应。粒子团的大小和形状决定物质的性质。
运动粒子之间的相互匹配集聚形成物质的吸引力和亲和力。
波义耳的微粒哲学在17世纪具有广泛的影响。它摒弃了神秘的超自然力量的作用，排除了上帝的主宰，比较系统又比较完善地回答了“物质世界是怎样的”问题，引起了人们广泛的注意。
波义耳自称是一个机械论哲学家。他的哲学思想是在培根唯物主义基础上，吸收了笛卡儿、洛克、胡克等人用以解释自然现象的微粒说，形成了波义耳的自然哲学。
为了说明新的元素观，波义耳给元素赋予了自然哲学的表象。他运用了从古希腊哲学家直到伽桑狄的原子论观点，来解释元素以及万物的构成。自然界不仅是由微粒构成的，化学元素也是由微粒构成的。别人诘难波义耳：元素为什么不相同呢？
波义耳回答说，元素的不同只是由于构成其微粒的大小、形状和运动的不同，微粒间的作用力亲和可形成更大的微粒。
波义耳推崇使用的微粒哲学，对于化学、物理现象能够用物质及其运动的观点作出机械论的解释，而无需诉诸超自然的、人格化的因素，从而抛弃了经院哲学的神秘主义理论，从某种意义上说，正是信仰上帝的波义耳理论驳斥了上帝在科学中的作用，这一点启示了后人。
在精神领域中，信仰上帝；在物质运动的科学领域中，清除上帝的作用和影响，这是波义耳同时也是近代科学家的一个重要特点。微粒思想就是一个典型的例子。
波义耳的微粒思想，是带有大小层次的粒子观，它显然已经具有了近代原子论和分子论的雏形。这一理论模型为后来的化学家拉瓦锡所继承和发展，达到了一个新的高度。后来道尔顿发展成了近代科学的原子论。
波义耳用微粒理论解释当时普遍使用又神秘莫测的火。火是人类的朋友，又是灾祸的伴侣。1666年，伦敦发生大火灾，几乎把伦敦城烧成了一片废墟，连天佑神护的教堂也毁于一旦。平时，用火操作的哲学家们（即近代科学家们）也离不开火。
火是什么？火焰的本质如何？亚里士多德认为，火是一种元素。随着矿冶的实践深入，特别是科学家对焙烧、煅烧等实验现象的深入观察，亚里士多德的观点已经显得陈腐不堪了。
通过观察，人们明显地发现从燃烧物上有火焰迸出。大量的可燃物燃尽时只留下较轻的灰烬，也进一步说明损耗掉了一些物质。因此，人们自然地想到，在燃烧时有某种易燃元素逃逸出去。
后来，人们又进一步发现燃烧需要空气。有些化学家如海尔孟特还发现金属加强热会增重，等等。
怎么解释这些现象？
波义耳认为，火是由“极细小的微粒”即“火微粒”所构成。他在《怀疑派化学家》一书中对此作了表述，认为细小无比的火微粒可以透过烧瓶同被加热的物体结合。波义耳对此进行了加热铜、铁、锡、铅等金属的系列实验，注意到了金属燃烧增加重量的现象。
波义耳注意到了空气与燃烧的关系，他错误地推断火有重量，这导致了后来燃素说的错误理论。任何人都不可能一生不犯错误，但波义耳的这一错误丝毫不影响微粒学说对科学界的伟大作用，波义耳研究的微粒像波义耳伟大的名字一样永存。