In seinen frühen Jahren konzentrierte sich Brongniart auf das Studium der Reptilien und veröffentlichte 1800 den Essai dune classification naturally des reptiles, in dem er die Anatomie der Reptilien verglich, um sie in verschiedene Gruppen einzuteilen. Die vier Klassifizierungen waren Chelonia, Sauria, Ophidia und Batrachia. Obwohl er die Batrachia als Unterklasse der Reptilien einstufte, bemerkte Brongniart einen großen Unterschied in der Anatomie der Batrachia im Vergleich zum Rest der Klasse. Dieses Problem wurde 1804 von Pierre Latreille gelöst, indem er Batrachia in eine Klasse namens Amphibien einordnete, während der Rest der Reptilia-Gruppierung beibehalten wurde. Daher ist Batrachia die einzige Gruppe, die nicht mehr als Reptilien, sondern als Amphibien anerkannt wird.
Das wichtigste Werk für Brongniart war Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris in Zusammenarbeit mit Georges Cuvier über Studien zur Geologie um Paris im Jahr 1811. Zu dieser Zeit versuchte Cuvier herauszufinden, aus welchen Zeiträumen die Fossilien stammten, und die ausgestorbenen Säugetiere anhand der Zeiträume zu rekonstruieren, aus denen sie stammten. In seiner Abhandlung „Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris“ identifizierte er neun Formationen, die sich über einen sehr langen Zeitraum gebildet hatten. Die Formationen, beginnend mit der ältesten, wurden Kreide, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce und Limon d’aterrissement genannt. Brongniart stellte fest, dass einige der Schichten marine Molluskenfossilien, andere wiederum Süßwasser-Molluskenfossilien enthielten. Er nutzte den Wechsel zwischen diesen Meeres- und Süßwasserschichten, um die Theorie zu widerlegen, dass die Schichten durch einen schrumpfenden Ozean abgelagert wurden. Das Papier wurde erstmals im April 1808 der Öffentlichkeit vorgestellt, aber im Juni 1808 und später im Jahr 1811 erweitert. Sie gehörten zu den ersten, die die Erde anhand ihres Fossilgehalts untersuchten, anstatt sich auf die Eigenschaften der Gesteine zu verlassen. Während ihrer Zusammenarbeit fanden sie auch Beweise gegen den Neptunismus von Abraham Werner. Die Ergebnisse veranlassten Cuvier zur Entwicklung des Katastrophismus.
Ein weiterer wichtiger Beitrag zur Stratigraphie war die Verwendung des Fossilgehalts in den von ihm in Paris untersuchten Schichten zur Identifizierung von Schichten an anderen Orten anstelle der Tiefe oder der Lithologie, da man nicht erwarten kann, dass Gesteine genau dieselben Eigenschaften oder dieselbe Tiefe aufweisen, wenn sie unter verschiedenen Bedingungen abgelagert wurden.
Im Jahr 1822 veröffentlichte Brongniart die erste umfassende Studie über Trilobiten, in der er eine Vielzahl von Trilobiten aus Europa und Nordamerika klassifizierte und versuchte, sie nach ihrem Alter zu gruppieren. Diese Arbeit trug zu späteren Arbeiten über die Stratigraphie des Paläozoikums bei.