Cavendish es especialmente conocido por sus investigaciones en la química del agua y del aire, y por el cálculo de la densidad de la Tierra.
El 23 de febrero de 1765 descubrió las propiedades del hidrógeno y de ahí pasó a su descubrimiento más célebre: el de la composición del agua. Afirmaba que “el agua está compuesta por aire deflogistizado (oxígeno) unido al flogisto (hidrógeno)”.
Cavendish además determinó en 1789 la densidad de la atmósfera y que la densidad de la Tierra era 5.45 veces mayor que la densidad del agua, un cálculo muy cercano a la relación establecida por las técnicas modernas (5.5268 veces).
Cavendish demostró experimentalmente que la ley de la gravedad de Newton se cumplía igualmente para cualquier par de cuerpos. Para ello utilizó una balanza de torsión en un famoso experimento, conocido como el experimento de Cavendish o experimento de la balanza de torsión, en el que determinó la densidad de la Tierra.