V raném věku se Brongniart zaměřil na studium plazů a v roce 1800 vydal knihu Essai dune classification naturally des reptiles, v níž porovnával anatomii plazů s cílem zařadit je do různých skupin. Jednalo se o čtyři klasifikace: Chelonia, Sauria, Ophidia a Batrachia. Přestože však Brongniart zařadil Batrachia do podtřídy Reptilia, všiml si obrovského rozdílu v anatomii Batrachia ve srovnání se zbytkem třídy. Tento problém vyřešil v roce 1804 Pierre Latreille tím, že Batrachia nahradil třídou nazvanou Amphibians a zbytek skupiny Reptilia zachoval. Proto je Batrachians jedinou skupinou, která již není uznávána jako plazi, protože se jedná o obojživelníky.
Nejvýznamnějším Brongniartovým dílem bylo Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris ve spolupráci s Georgesem Cuvierem o studiu geologie v okolí Paříže v roce 1811. Cuvier se tehdy snažil zjistit, z jakých období pocházejí zkameněliny, a na základě toho rekonstruovat vymřelé savce. V jejich práci „Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris“ bylo identifikováno devět útvarů, které vznikaly po velmi dlouhou dobu. Tyto útvary, počínaje nejstarším, byly nazvány Chalk, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce a Limon d’aterrissement. Brongniart zjistil, že v některých vrstvách se nacházejí zkameněliny mořských měkkýšů a v některých sladkovodních měkkýšů. Střídání těchto mořských a sladkovodních vrstev využil k vyvrácení teorie, že vrstvy byly usazeny zmenšujícím se oceánem. Práce byla poprvé veřejně přečtena v dubnu 1808, ale v červnu 1808 a později v roce 1811 byla rozšířena. Jako jedni z prvních začali zkoumat Zemi podle obsahu zkamenělin, místo aby se spoléhali na vlastnosti hornin. Během spolupráce také našli důkazy proti neptunismu Abrahama Wernera. Výsledky podnítily Cuviera k vytvoření katastrofismu.
Dalším významným přínosem v oblasti stratigrafie bylo využití obsahu zkamenělin ve vrstvách, které zkoumal v Paříži, k identifikaci vrstev na jiných místech namísto hloubky nebo litologie, protože nelze očekávat, že horniny budou mít naprosto stejné vlastnosti nebo hloubku, pokud se usazovaly za různých podmínek.
V roce 1822 publikoval Brongniart první ucelenou studii o trilobitech, v níž klasifikoval celou řadu z Evropy a Severní Ameriky a pokusil se je seskupit podle stáří. Tato práce přispěla k pozdějším pracím o stratigrafii prvohor.