不善交际的道尔顿一直保持独身，他对别人的解释是：“因为忙，无暇考虑婚姻问题。”但是，他对科学却是情有独钟。即使是中年以后，他还是在每个夏天背着沉重的气象仪器去野外作业。他70岁那年患了中风，身体日渐衰老。1844年7月27日，道尔顿与世长辞。陷入了沉思
在道尔顿的家乡，有一位农村少见的自然科学爱好者，经常独自进行气象观测等科学研究，他就是鲁宾逊，是道尔顿的亲戚。他很爱惜道尔顿的才华，教给辍学在家的道尔顿许多数学、物理知识，并劝他一起进行气象观测。
15岁时，道尔顿来到肯代尔镇担任助理教师。有一天，突发奇想的他，对大红公鸡能准确地预报何时会下雨或何时有风暴而惊诧不已：“为什么禽类能预报天气，而我却不能呢?”这个问题一直萦绕在他心头。当得知镇上有一位名叫约翰•格夫的盲人学者也在进行类似观测时，他紧蹙的眉头舒展开来。在格夫的帮助和鼓励下，21岁的他开始了长达57年、不下于20万次的气象观测。
肯代尔镇虽是个小地方，但在学校拨给道尔顿住的房间里，书架上却摆着很多书。书，是他真正的财富。他一边进行定期的气象观测，一边不断地读书、读书，并写下了一系列关于气象的论文，如《关于极光》、《关于气压计》、《关于降雨》、《关于蒸发》等等。1793年，他发表了专著《关于气象学的观测和实验》，以此作为对前一阶段工作的总结。在这部著作里，他介绍了气压计、温度计、湿度计和其他仪器装置，介绍了他多年观测的结果，还别具匠心地分析了云的形成过程、蒸发过程和大气降水量的分布规律，分析了早晨的北风等等。
受曼彻斯特学院院长的邀请，1793年道尔顿来到了曼彻斯特，开始了更有成效的研究。这时，由于长期关注气象学，一些关于气体的思考开始在他脑子里成形，比如，气体的膨胀问题，混合气体以及大气的组成问题，气体的扩散与气体对水的溶解度问题等等。为此，他进行了一系列实验。
道尔顿通过对氢、氧、二氧化碳和氧化氮四种气体的实验，发现任何气体每上升同一温度时，发生的热膨胀度都是相同的。这就是“气体膨胀定律”。当时，他与盖•吕萨克在同一时期各自独立地得到了同一结果。在另外一个实验里，道尔顿发现了“混合气体的分压定律”。这个被后人称为“道尔顿分压定律”的气体定律，其压力是不改变的。但在引进第二种气体之后，这种混合气体的压力便比原来增加了，它等于这两种气体分压之和。每种气体单独的压力并没有发生变化。1803年，这一定律研究结果的论文发表。
“混合气体分压定律”指出，气体混合物的形成是由于相同微粒之间的排斥而产生气体扩散的缘故。但是，对于微粒(或原子)，实质上人们了解多少呢?原子在自然界中是否存在，或者仅是一种哲学的范畴?道尔顿陷入了沉思。
创立科学的新原子论
醉心于新思想的道尔顿顽强地进行着研究工作。实验室、图书馆和工作室，到处留下了他忙碌的身影。原子的特点是什么?这是燃一时期困扰他的最苦恼的问题。他觉得，化学所缺少的正是物质瀚构的真正理论。
的确，最早提出所有的物质都是由极其微小的、不可毁坏的被称驹“原子”的粒子所组成的并非道尔顿。在2000多年前，古希腊哲学际德谟克利特和伊壁鸠鲁就采用了这一假说，他们主张“所有的物质瞧由不可再分割的粒子组成的”。17世纪的牛顿，还有18世纪的拉瓦锡，都支持过类似的学说。不过，早期的原子学说都没有定量表达，也没有用于科学研究，更重要的是谁也没有想到哲学的假想和科学事实之间存在的联系。
道尔顿的与众不同之处正是表现在这里。经过多年的紧张劳动，1803年10月21日，他在曼彻斯特文学学会的讲台上报告了他的化学原子论。在报告的结论部分，他指出：“同一种元素的原子彼此之间是相同的，但它们不同于别种元素的原子。原子具有重量，原子不可再分，也不可称量。”为了证明他的观点，道尔顿还宣读了他的第一张原子相对重量表，认为最轻的元素是氢，并把氢的原子量相对规定为。尽管他的原子量表与现行的相比误差很大，并把原子当量当成了原子量。但是，这毕竟是世界上第一张原子量表，它改变了过去关于原子的模糊概念，第一次使原子通过原子量与具体的化学实验结合起来。化学从此走上了定量研究的阶段。
荣誉市民
道尔顿的新理论引起了科学界的广泛注意。1803年12月～1804年1月，道尔顿应邀赴伦敦皇家学院做了关于原子的相对重量的讲演。回到曼彻斯特后，他继续进行原子量的测定工作。在一个有关黑色氧化铜和红色氧化铜的实验中，经过分析，他惊喜地发现：黑色氧化物中一个氧原子与一个铜原子化合，而在红色氧化物中，则是一个氧原子与两个铜原子化合。这不是偶然的，自然界存在这么一个定律——倍比定律。这一定律的发现，使道尔顿坚信自己的原子论是“真理”，而不是假设。
早在1799年，法国化学家普罗斯通过实验证明了“定比定律”的存在。结合原子学说，道尔顿把“定比定律”阐释为：一种已知的化合物，不管它是由什么方法配制或在哪里发现的，它总含有相同的元素，而且元素之间的重量比完全一样。这条定律与“倍比定律”一起，极其有力地支持了道尔顿的原子分子
