道尔顿在曼彻斯特发表的第一篇论文，不是气象问题，也不是物理问题，而是一篇关于色盲的研究文章。说起来，事出偶然。圣诞节时道尔顿为母亲买了一双深蓝色的袜子表示自己对老人的孝敬。当他送给母亲时，母亲却厉声责问他，为什么买一双红色袜子。依照当地宗教习俗，妇女禁忌红色。由此道尔顿才发现自己的辨色能力与众不同。对此他经过认真的调查，发现他哥哥也和他一样，具有不正常的辨色能力，另有一些人也具有这一病症。为此他撰写了论文，提出人类中存在着色盲这一病症。道尔顿的这一发现引起了社会公众的重视，所以在英国将色盲常称为道尔顿症。
学识的增加，使道尔顿感到要深入研究，解决几个科学难题，必须付出更多的时间和精力。为此，1799年他果断地辞去了学院的繁忙教职，从曼彻斯特文学和哲学会借了一间工作室，又在工作室附近租了一间简陋的民房，开始他清贫的以科研为主的新生活。据他的房东介绍说：道尔顿的生活很有规律，几乎每天都是，早餐前先去实验室升火，吃完早餐后即开始工作，一直干到午餐时才出来。吃罢午餐又继续进实验室工作，一直忙到晚上9点，晚餐后稍作休息，就进住房读书至夜半。这种生活就象时钟运转一样有规律，“午夜方眠，黎明即起”成为道尔顿勤奋治学生活的真实写照。功夫不负有心人。勤奋的学习，刻苦的钻研，使道尔顿在攀登科学的山路上取得了一个又一个的成果。长期以来对气象观测和对大气各种问题的思索很自然地引导他去研究气体的物理性质。他用自己亲自动手设计制作的各种器具认真地考察了大气、水蒸气等多种气体和蒸发、压缩、膨胀等物理现象，还对大气的组成、混和气体的状态、气体的扩散、气体在水中的溶解等问题作了实验研究。从1301年起，他陆续地完成了“关于极光”、“关于气压计”、论降雨”、“关于温度计”、“混和气体的组成”、“论水蒸气的力”、“论蒸发”、“论气体受热膨胀”等论文。其中最突出的成果是，他在“论气体受热膨胀”的论文中清楚地提出了气体的热膨胀定律：任何气体每上升一定温度时发生的体积膨胀是相同的，在同一时期，法国化学家盖·吕萨克也提出了气体的体积随温度而改变的这一定律，所以现在人们常称气体热膨胀定律为道尔顿一盖，吕萨克定律，此后不久，道尔顿又进一步地提出了著名的混和气体的分压定律，混和气体的压力等于各组分在同样条件下所具有的压力之和。这些对气体物理性质的实验研究成果又引导道尔顿去攀登科学险途的新高峰。
通过气象观测和对气体物理性质的研究，道尔顿常思考这么一个问题：为什么复合的大气，或者由两种或更多种弹性流体(气体)组成的混和物竟能在外观上构成一种均匀体？他决心解释常见的自然现象。
他曾假定各种物质(气体)都是由同样大小的微粒构成。混和气体的分压定律表明一种气体的微粒能均匀地分布在另一种气体的微粒之中。气体的扩散也是类似的物理过程。由此道尔顿认为，物质的微粒结构是存在的，这些质点也许是大小了，即便采用显微镜也无法看到。这时他想起了公元前古希腊哲学家提出的原子假设，于是他选择了原子这一名词来称呼这种微粒。
牛顿在他的力学理论中，指出在物质微粒的运动中，同性相斥，异性相吸。根据这一思想，道尔顿假设在混和气体中，一类气体的原子并不排斥另一类气体的原子，仅仅是同类原子相互排斥。那么怎样证实气体原子的存在呢？道尔顿认为，必须去测定各种原子的相对质量和不同原子合成新粒子的组成。当时化学家在气体化合物的化学反应中，为道尔顿的研究提供了一些实验数据，但是还远远满足不了他计算各种原子的相对质量的需要，为此道尔顿作了一些大胆的假设和推理。首先他从物理学的角度出发，假定相同体积的气体在同温同压下，含有相同数目的原子。若这一假定能成立，他便可以通过测量相对的蒸汽密度来换算气体原子的相对质量。但是，他在氧气、氢气合成水的实验中发现，水的蒸气密度反而小于氧气的蒸气密度。于是他怀疑采用蒸气密度法来测算原子相对质量行不通。(用现在的观点来看，只要把道尔顿测定的微粒由原子改为分子就对了，可惜道尔顿当时没有这种认识。)
采用物理学的实验方法行不通，道尔顿转向了化学。根据水由35份氧和15份氢组成的实验结果，得到了氧和氢化合的质量比；又由氨气的分析得到了氮和氢化合的质量比。有了这些质量比还不够，还必须知道化合物的微粒究竟由几个原子组成，才能换算出原子的相对质量。对此道尔顿提出了由原子构成微粒(分子)的基本原则。两种元素A和B间，若只存在一种化合物，其分子为AB若存在两种化合物，其分子为AB、ABB或AAB；若存在三种时，可能是AB、AA民ABB……，在这样的规定下，他
