I sine tidlige år fokuserede Brongniart på studier af krybdyr og udgav Essai dune classification naturally des reptiles i 1800, hvor han sammenlignede krybdyrenes anatomi med henblik på at klassificere dem i forskellige grupper. De fire klassifikationer var Chelonia, Sauria, Ophidia og Batrachia. Men selv om han klassificerede Batrachia som en underklasse af Reptilia, bemærkede Brongniart en stor forskel i Batrachia’s anatomi i forhold til resten af klassen. Dette problem blev løst i 1804 af Pierre Latreille ved at erstatte Batrachia i en klasse kaldet Amphibier, mens resten af Reptilia grupperingen blev bibeholdt. Derfor er Batrachians den eneste gruppe, der ikke længere anerkendes som reptiler, da de er amfibier.
Det mest betydningsfulde arbejde for Brongniart var Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris i samarbejde med Georges Cuvier om studier af geologien omkring Paris i 1811. På det tidspunkt forsøgte Cuvier at finde ud af, hvilke perioder fossilerne er fra, og at rekonstruere de uddøde pattedyr ud fra de perioder, de er fra. I deres dokument “Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” identificerede de ni formationer, der var blevet dannet over en meget lang periode. Formationerne, der begyndte med den ældste, blev kaldt kridt, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce og Limon d’aterrissement. Brongniart konstaterede, at nogle af lagene havde fossiler af marine bløddyr, og andre havde fossiler af ferskvandsmollusker. Han brugte vekslen mellem disse marine og ferskvandslag til at modbevise teorien om, at lagene var blevet aflejret af et svindende hav. Afhandlingen blev første gang læst op for offentligheden i april 1808, men blev forlænget i juni 1808 og senere i 1811. De var blandt de første til at studere jorden ud fra dens fossile indhold i stedet for at basere sig på stenens egenskaber. I løbet af samarbejdet fandt de også beviser mod Abraham Werners neptunisme. Resultaterne fik Cuvier til at skabe katastrofismen.
Et andet vigtigt bidrag inden for stratigrafi var at bruge fossilindholdet i de lag, han undersøgte i Paris, til at identificere lag andre steder i stedet for dybde eller lithologi, da man ikke kan forvente, at bjergarter har nøjagtig de samme egenskaber eller dybde, hvis de er aflejret under forskellige forhold.
I 1822 udgav Brongniart den første fuldstændige undersøgelse af trilobitter, hvori han klassificerede en række fra Europa og Nordamerika og forsøgte at gruppere dem efter alder. Dette arbejde bidrog til senere arbejde med palæozoisk stratigrafi.