外部影片連結 YouTube上的道爾頓的氣象研究是如何導致原子被發現的，化學傳統基金會
1793年道爾頓依靠從盲人哲學家高夫那裡接受的自然科學知識，成為曼徹斯特新學院（牛津大學哈里斯曼徹斯特學院的前身）的數學和自然哲學教師。來到學院不久，他發表了《氣象觀察與隨筆》，在其中描述了氣溫計氣壓計和測定露點的裝置，在附錄中提出原子論的模型。但是這本書售量很少。
色盲症研究
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1794年道爾頓被選為曼徹斯特文學和哲學學會會員，這個學會主要討論神學和英國政治之外的各種問題。10月31日他在學會宣讀了《關於顏色視覺的特殊例子》。在這篇文章中，他給出了對色盲這一視覺缺陷的最早描述，總結了從他自身和很多人身上觀察到的色盲症的特徵，如他自己除了藍綠方面的顏色，只能再看到黃色，所以色盲又被很多人稱為道爾頓症。1799年新學院遷移到約克，道爾頓仍然留在曼徹斯特，此時他已經很有名氣，可以靠作家庭教師為生。
氣體定律研究
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道爾頓在《化學哲學的新體系》中描繪的氣體原子
1800年道爾頓開始擔任學會秘書，隨後進行氣體的壓力研究。他加熱相同體積的不同氣體，發現溫度升高所引起的氣體壓力變化值與氣體種類無關。並且當溫度變化相同時，氣體壓力變化也是相同的。他實際上得到了和後來雅克·查理和蓋-呂薩克同樣的結論，但是他沒有繼續深究這個問題。
1801年道爾頓將水蒸汽加入乾燥空氣中，發現混合氣體中某組分的壓力與其他組分壓力無關，且總壓強等於兩者壓力和，即道爾頓分壓定律。同年道爾頓最親密的朋友威廉·亨利發現了難溶於水的氣體在水中的溶解數量與壓力成正比，即亨利定律。隨後亨利也觀察到對於混合氣體也存在同樣關係，只不過壓強換成了氣體的分壓值。道爾頓從這一研究成果得出溶解是純物理過程的結論。
原子理論
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參見：原子理論
1803年12月與1804年1月道爾頓在英國皇家學會作關於原子論的演講，其中全面闡釋了他的原子論思想。其要點為：
①化學元素均由不可再分的微粒組成。這種微粒稱為原子。原子在一切化學變化中均保持其不可再分性。
②同一元素的所有原子，在質量和性質上都相同；不同元素的原子，在質量和性質上都不相同。
③不同的元素化合時，這些元素的原子按簡單整數比結合成化合物。儘管從現在的觀點來看，道爾頓的觀點是非常簡潔而有力的（當然存在着錯誤）但是由於實驗證據的缺乏和道爾頓表述的不力，這一觀點直到20世紀初才被廣泛接受。