Свою наукову діяльність Авоґадро почав з вивчення електричних явищ. Роботи Авоґадро, присвячені цій темі, з’являлися аж до 1846 року. Велику увагу приділяв він також дослідженням у галузі електрохімії, намагаючись знайти зв’язок між електричними і хімічними явищами, що привело його до створення своєрідної електрохімічної теорії. В цьому відношенні його дослідження стикалися з роботами знаменитих хіміків Деві і Берцеліуса. Але в історію фізики Авоґадро увійшов як відкривач одного з найважливіших законів молекулярної фізики.
У 1811 році з’явилася стаття Авоґадро «Нарис методу визначення відносних мас елементарних молекул тіл і пропорцій, згідно з якими вони входять в з’єднання». Викладаючи основні уявлення молекулярної теорії, Авоґадро показав, що вона не тільки не суперечить даним, отриманим Люссаком, але навпаки, прекрасно узгоджується з ними і відкриває можливість точного визначення атомних мас, складу молекул і характеру протікання хімічних реакцій.
У 1814 році з’являється друга стаття Авогадро «Нарис про відносні маси молекул простих тіл, або передбачувані щільності їх газу, і про природу деяких з їх сполук». Тут чітко формулюється закон Авогадро: «… рівні обсяги газоподібних речовин при однакових тисках і температурах відповідають рівному числу молекул, так що щільності різних газів є мірою мас молекул відповідних газів». Далі у статті розглядаються додатки цього закону визначення складу молекул численних неорганічних речовин.
Так як молярна маса (маса речовини, що містить один моль молекул) пропорційна масі окремої молекули, то закон Авогадро можна сформулювати як твердження, що моль будь-якої речовини в газоподібному стані при однакових температурах і тисках займає той самий обсяг. Як показали експерименти, за нормальних умов ( р = 1 атм (760 мм рт. ст.), T = 273 K (0 ° C)) він дорівнює 22,414 л. Число молекул в 1 молі будь-якої речовини однакове. Воно отримало назву числа Авогадро. Воно дорівнює 6,02 ⋅ 10^23. Це число отримало назву сталої Авоґадро.
У 1821 році в статті «Нові міркування про теорію певних пропорцій у з’єднаннях і про визначення мас молекул тіл» Авоґадро підбив підсумок своєї майже десятирічної роботи в галузі молекулярної теорії і розповсюдив свій метод визначення складу молекул на цілий ряд органічних речовин. У цій же статті він показав, що інші хіміки, насамперед Дальтон, Деві і Берцеліус, не знайомі з його роботами, продовжують дотримуватися невірних поглядів на природу багатьох хімічних сполук і характер реакцій, які відбуваються між ними.
В честь Авоґадро названо астероїд головного поясу, відкритий 2 серпня 1991 року – 12294 Авоґадро (12294 Avogadro).