En sus primeros años, Brongniart se centró en los estudios de los reptiles y publicó Essai dune classification naturelle des reptiles en 1800, en el que comparaba la anatomía de los reptiles para clasificarlos en diferentes grupos. Las cuatro clasificaciones eran Chelonia, Sauria, Ophidia y Batrachia. Sin embargo, aunque clasificó Batrachia como una subclase de Reptilia, Brongniart observó una gran diferencia en la anatomía de Batrachia en comparación con el resto de la clase. Este problema fue resuelto en 1804 por Pierre Latreille sustituyendo Batrachia por una clase llamada Anfibios, y el resto de la agrupación Reptilia se mantuvo. Por lo tanto, Batrachia es el único grupo que ya no se reconoce como reptiles ya que son anfibios.
El trabajo más significativo para Brongniart fue Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris en colaboración con Georges Cuvier sobre estudios de geología alrededor de París en 1811. En aquella época, Cuvier intentaba averiguar de qué épocas son los fósiles y reconstruir los mamíferos extintos en función de las épocas a las que pertenecen. Su trabajo «Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris» identificó nueve formaciones que se habían formado durante un periodo de tiempo muy largo. Las formaciones, empezando por la más antigua, se llamaban Chalk, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce y Limon d’aterrissement. Brongniart descubrió que algunos de los estratos tenían fósiles de moluscos marinos y otros de agua dulce. Utilizó la alternancia de estas capas marinas y de agua dulce para refutar la teoría de que los estratos fueron depositados por un océano en contracción. El trabajo fue leído por primera vez al público en abril de 1808, pero fue ampliado en junio de 1808 y posteriormente en 1811. Fueron los primeros en estudiar la tierra por su contenido fósil en lugar de basarse en las características de las rocas. Durante la colaboración, también encontraron pruebas contra el neptunismo de Abraham Werner. Los resultados impulsaron a Cuvier a crear el catastrofismo.
Otra contribución significativa en la estratigrafía fue utilizar el contenido fósil en los estratos que examinó en París para identificar estratos en otros lugares en lugar de la profundidad o la litología, ya que no se puede esperar que las rocas tengan exactamente las mismas características o la misma profundidad si se depositan en condiciones diferentes.
En 1822, Brongniart publicó el primer estudio completo sobre los trilobites en el que clasificó una variedad de Europa y América del Norte e intentó agruparlos en función de su edad. Este trabajo contribuyó a los trabajos posteriores sobre la estratigrafía paleozoica.