Durante questo periodo pubblicò, sul "Journal" di Lametherie, le sue due opere più famose. Nel 1811 pubblica "Essai d'une maniere de determiner les masses relatives des molecules elementaires des corps, et les proportions selon les quelles elles entrent dans ces combinasions" in cui introduce una chiara distinzione tra il concetto di atomo e di molecola che gli permette di conciliare le idee di Dalton (che portano al principio di Avogadro) con le osservazioni di Gay-Lussac.
Nel 1811, nel frattempo, Avogadro pubblica una memoria che ormai è considerata uno dei classici della scienza moderna, ovvero "Essai d'une manière de déterminer les masses relatives des molécules élémentaire des corps, et les proportions selon les quelles elles entrent dans ces combinaisons", nella quale egli sviluppa alcune considerazioni fondamentali in merito alla combinazione chimica in fase gassosa.
Nello stesso anno Avogadro pubblica una memoria di argomento chimico - Idées sur l'acidité et l'alcalinité - nella quale, sulla base delle ricerche elettrochimiche di Humphry Davy (elettrochimica), - e sull'idea sostenuta dallo scienziato inglese che l'affinità chimica fosse determinata da forze di natura elettrica - elabora una nuova concezione di tipo elettrico dell'alcalinità e dell'acidità delle sostanze, da sempre ritenute qualità centrali della reattività chimica dei corpi e riproposte come tali dal chimico lavoisieriano Claude-Louis Berthollet nel suo "Essai de statique chimique" (1803).
Nel 1820 ebbe la cattedra di matematica all'Università di Torino che, salvo un'interruzione di dieci anni, conservò fino al 1850. Il suo contributo al progresso della fisica moderna è stato notevolissimo, anche se riconosciuto in ritardo: ne è la prova la legge che porta il suo nome, la quale passata quasi inosservata ai fisici del tempo, fu messa nel suo giusto valore da Canizzaro, mezzo secolo dopo che era stata enunciata.
Avogadro fu il primo ad affermare la divisibilità delle molecole in atomi.