Varhaisina vuosinaan Brongniart keskittyi matelijoiden tutkimiseen ja julkaisi vuonna 1800 Essai dune classification naturally des reptiles -kirjan, jossa hän vertaili matelijoiden anatomiaa luokitellakseen ne eri ryhmiin. Nämä neljä luokittelua olivat Chelonia, Sauria, Ophidia ja Batrachia. Vaikka hän luokitteli Batrachian Reptilian alaluokaksi, Brongniart huomasi kuitenkin suuren eron Batrachian anatomiassa verrattuna muuhun luokkaan. Tämän ongelman ratkaisi vuonna 1804 Pierre Latreille korvaamalla Batrachia luokalla nimeltä Sammakkoeläimet, ja muu Reptilia-ryhmitys säilytettiin. Näin ollen Batrachians on ainoa ryhmä, jota ei enää tunnusteta matelijoiksi, koska ne ovat sammakkoeläimiä.
Brongniartin merkittävin teos oli Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris, joka koski Pariisia ympäröivän geologian tutkimuksia yhteistyössä Georges Cuvierin kanssa vuonna 1811. Cuvier yritti tuolloin selvittää, miltä aikakausilta fossiilit ovat ja rekonstruoida sukupuuttoon kuolleet nisäkkäät niiden aikakausien perusteella. Heidän julkaisussaan ”Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” tunnistettiin yhdeksän muodostumaa, jotka olivat muodostuneet hyvin pitkän ajan kuluessa. Muodostumia kutsuttiin vanhimmasta alkaen nimillä Chalk, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce ja Limon d’aterrissement. Brongniart havaitsi, että joissakin kerroksissa oli merinilviäisfossiileja ja joissakin makean veden nilviäisfossiileja. Hän käytti näiden merellisten ja makean veden kerrostumien vuorottelua kumotakseen teorian, jonka mukaan kerrostumat olivat kerrostuneet kutistuvan valtameren vaikutuksesta. Työ luettiin ensimmäisen kerran yleisölle huhtikuussa 1808, mutta sitä jatkettiin kesäkuussa 1808 ja myöhemmin vuonna 1811. He olivat ensimmäisten joukossa, jotka tutkivat maapalloa sen fossiilipitoisuuden perusteella sen sijaan, että olisivat luottaneet kivien ominaisuuksiin. Yhteistyön aikana he löysivät myös todisteita Abraham Wernerin neptunismia vastaan. Tulokset saivat Cuvierin luomaan katastrofismin.
Toinen merkittävä panos stratigrafiassa oli se, että hän käytti Pariisissa tutkimiensa kerrostumien fossiilipitoisuutta tunnistamaan kerrostumia muissa paikoissa syvyyden tai litologian sijasta, sillä kivilajeilla ei voida olettaa olevan täsmälleen samat ominaisuudet tai syvyys, jos ne ovat kerrostuneet erilaisissa olosuhteissa.
Vuonna 1822 Brongniart julkaisi ensimmäisen kattavan tutkimuksen trilobiiteista, jossa hän luokitteli erilaisia Euroopasta ja Pohjois-Amerikasta peräisin olevia lajeja ja yritti ryhmitellä niitä iän perusteella. Tämä työ vaikutti osaltaan myöhempään paleotsooista stratigrafiaa koskevaan työhön.