Dans ses jeunes années, Brongniart s’est concentré sur les études des reptiles et a publié l’Essai d’une classification naturelle des reptiles en 1800, dans lequel il a comparé l’anatomie des reptiles afin de les classer en différents groupes. Les quatre classifications étaient Chelonia, Sauria, Ophidia et Batrachia. Cependant, même s’il a classé les Batrachia comme une sous-classe de Reptilia, Brongniart a remarqué une énorme différence dans l’anatomie des Batrachia par rapport au reste de la classe. Ce problème a été résolu en 1804 par Pierre Latreille en remplaçant Batrachia dans une classe appelée Amphibiens, et le reste du regroupement Reptilia a été conservé. Par conséquent, les Batraciens sont le seul groupe qui n’est plus reconnu comme des reptiles mais comme des amphibiens.
L’œuvre la plus significative pour Brongniart fut l’Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris en collaboration avec Georges Cuvier sur les études de la géologie autour de Paris en 1811. À l’époque, Cuvier essayait de déterminer les périodes auxquelles appartenaient les fossiles et de reconstituer les mammifères disparus en fonction de ces périodes. Leur article « Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris » identifiait neuf formations qui s’étaient formées sur une très longue période de temps. Les formations, en commençant par la plus ancienne, étaient appelées Craie, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce, et Limon d’aterrissement. Brongniart a constaté que certaines strates contenaient des fossiles de mollusques marins, et d’autres des fossiles de mollusques d’eau douce. Il a utilisé l’alternance de ces couches marines et d’eau douce pour réfuter la théorie selon laquelle les strates ont été déposées par un océan en régression. Le document a été lu pour la première fois au public en avril 1808, mais a été prolongé en juin 1808 et plus tard en 1811. Ils ont été parmi les premières personnes à étudier la terre par son contenu en fossiles au lieu de se baser sur les caractéristiques des roches. Au cours de leur collaboration, ils ont également trouvé des preuves contre le neptunisme d’Abraham Werner. Les résultats ont incité Cuvier à créer le catastrophisme.
Une autre contribution importante à la stratigraphie a été d’utiliser le contenu en fossiles des strates qu’il a examinées à Paris pour identifier des strates dans d’autres endroits au lieu de la profondeur ou de la lithologie, car on ne peut pas s’attendre à ce que les roches aient exactement les mêmes caractéristiques ou la même profondeur si elles se sont déposées dans des conditions différentes.
En 1822, Brongniart a publié la première étude complète des trilobites dans laquelle il a classé une variété provenant d’Europe et d’Amérique du Nord et a essayé de les regrouper en fonction de leur âge. Ce travail a contribué aux travaux ultérieurs sur la stratigraphie paléozoïque.