随着氧气的发现、空气之谜的揭开，燃烧的本质也被拉瓦锡揭示了出来。

从1772年至1777年的五年中，拉瓦锡做了大量的燃烧实验，例如：使磷、硫黄、木炭、钻石燃烧，将锡、铅、铁煅烧而增重，将氧化铅、红色氧化汞和硝酸钾加强热使之分解，以及使许多有机化合物燃烧等，并且对燃烧以后所产生和剩余的气体也一一加以研究。经过对这些实验结果进行综合归纳和分析，他认为可燃物质的燃烧或金属变为煅灰并不是分解反应，而是与氧的化合反应，根本不存在什么燃素。燃烧反应实质不是“物质-燃素=煅灰”，而是“物质+氧=煅灰（氧化物）”。拉瓦锡于1777年向法兰西科学院提出一篇名为《燃烧概论》的报告，正式提出了革命性的关于燃烧本质的氧化说。拉瓦锡的氧化说认为：物体燃烧时放出光和热；物体只有在氧存在时才能燃烧；空气是由两种成分组成，物质在空气里燃烧时，吸收了其中的氧，因而增重，所增加之重恰为其所吸收的氧气之重；一般的可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧元素；金属煅烧后即变为煅灰，这些煅灰是金属的氧化物。

拉瓦锡提出的氧化说，彻底否定了在燃烧理论中一直根深蒂固的燃素说，坚定地认为燃烧不是分解反应，而是可燃物与氧的化合反应，将长期“倒立”的化学正立了过来，具有划时代的意义。要知道，即便是与拉瓦锡同为氧气发现者的著名化学家舍勒和普里斯特利，依然对燃素说深信不疑。从燃素说到氧化说，这场革命不仅是对燃烧理论的变革，而且是对化学基本概念和基本方法的变革，拉瓦锡以他系统、严格、定量的实验方法和缜密的逻辑推理方法（主要是归纳法和公理化方法）对化学方法的发展作出了重大贡献。