法，他发现固定空气能溶解于水，室温下的水可吸收固定空气的体积比水本身的体积还要大一点，水冷时可以吸收得更多。若将水煮沸，溶解于水中的固定空气则会逸出。酒精吸收固定空气的本领更大，约是其本身体积的2．25倍。某些碱溶液也能溶解固定空气，因此收集固定空气不能采用排水集气法，而应在不吸收固定空气的水银面上进行。他的这一介绍对于当时科学家研究气体是很有启发的。
卡文迪许侧得国定空气比普通空气重1．57倍，测出了酸从石灰石、大理石、珍珠灰等物质中排出固定空气的重量，计算出这些物质中固定空气的含量。他还发现在普通空气中，若固定空气的含量占到总体积的1/9，燃烧的蜡烛在其中就会媳灭。这些实验研究使人们对二氧化碳的性质有了更多的了解。
在卡文迪许之前，许多人曾制取过氢气，但是并没有认真研究它。卡文迪许用稀硫酸或稀盐酸与金属锌或铁作用获得氢气，发现它点火即燃，不溶于水和碱，比普通空气轻11倍，与已知的其它气体都不一样，从而断定它是一种新的气体。他还发现，一定量的金属与稀酸作用所放出的氢气的多少，与酸的种类、浓度无关，而随金属不同而相异。
卡文迪许当时信奉燃素说，曾认为氢气就是燃素。恰好，当时的许多燃素说信徒都猜测燃素具有负重量。充满氢气的气球徐徐升空，曾使燃素论信徒受到鼓舞，他们的猜测似乎有了证明。然而细心的卡文迪许在弄清了空气的浮力原理后，以精确的实验测出氢气确有重量，从而否定了燃素具有负重量的观点。尽管他是信奉燃素说的，但是他更尊重科学实验的事实。
确认水的组成和意外的发现
从1771年起，卡文迪许全神贯注在电学的实验研究上，这是他的一个系统、持久的研究课题。直到1781年普利斯特列在一项卡文迪许曾探索过的研究题目上有了新的发现，才把卡文迪许重新技回到气体的研究中。
1781年，普利斯特列宣称他做了一个“毫无头绪”的实验：他将卡文迪许发现的氢气和自己发现的脱燃素空气（即氧气）混和在一闭口瓶中，然后用电火花燃爆，发现瓶中有露珠生成。他怀疑自己的实验结果，也无法解释自己的实验。当普利斯特列将这一情况告诉卡文迪许后，引起了后者的兴趣。在征得普利斯特列的许可后，卡文迪许继续这一实验。由于他设计的实验较精确，很快得到结论。在他1784年发表的论文“关于空气的实验，中指出：氢气和普通空气混和进行燃爆，几乎全部氢气和1/5的普通空气凝给成露珠，这露珠就是水。他又采用氧气代替普通空气进行多次实验，同样获得了水。他还证明氢气和氧气相互化合的体积此为2．02：1。由此他确认了水是由氢气和氧气化合而成的。
在上述实验中，卡文迪许遇到两个意外的问题。他发现燃爆氢气与氧气的混和气体时，有时所产生的水有点酸味，用碱中和，再将水蒸发能得到少量的硝石。若氧气愈多，生成的酸也就多些；若氢气过量，则没有酸生成。这是为什么？为此他继续作了一系列实验，终于解决了疑难。
在1785年发表的论文中，他指出水的酸味是因为水中含有硝酸或亚硝酸，它们的生成则由于氧气中混有氮气，在电火花燃爆的高温中，氧气和氮气会化合。而氢气与普通空气混和燃爆时，由于大量氮气的存在，反应温度不够高，从而无法生成硝酸。这一精细的实验为人们提供了一种由空气制取硝酸的方法。
卡文迪许还发现，燃爆反应后的硝酸或亚硝酸用钾碱溶液中和，过量的氧气用硫化押溶液吸收掉后，试管里仍剩下一个很小的气泡，这气泡的体积约是氮气总体积的1/120。这部分气体的性质与氮气不一样。根本不参加化学反应。它究竟是什么呢？卡文迪许没法讲清。但是他为后人提出了一个研究课题，直到100年以后，英国化学家瑞利和拉姆塞才证实，这部分气体是惰性气体。
不图名不图利
卡文迪许1767年发表的论文也引人瞩目。这篇文章介绍了他、关于水和固定空气的实验。将一个深水井的井水进行煮沸，发现有固定空气逸出，同时产生白色沉淀。他认为白色沉淀和固定空气原先都是溶于水的，它们可能是溶于水中的石灰质土。为了证明这一看法，他在清澈的石灰水中通入圃定空气，开始时产生乳白色沉淀，继续通入固定空气后，沉淀复又溶解，溶液再次澄清透亮。这时他将这溶液煮沸，立刻就象井水那样释放出固定空气并产生白色沉淀。
卡文迪许的这一实验和他的解释使人们认清了一个常见的自然现象。在石灰岩遍布的地区，含有二氧化碳的雨水或泉水流经石灰岩地层、慢慢地溶解部分石灰石形成重碳酸盐溶液。这些溶液在石岩中缓慢下滴时，可能因温度变化或水汽蒸发，二氧化碳乘机逸去
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