Brongniart fiatal korában a hüllők tanulmányozására összpontosított, és 1800-ban megjelent Essai dune classification naturally des reptiles című művében összehasonlította a hüllők anatómiáját, hogy különböző csoportokba sorolja őket. A négy osztályozás a Chelonia, a Sauria, az Ophidia és a Batrachia volt. Azonban – bár a Batrachiát a Reptilia alosztályába sorolta – Brongniart hatalmas különbséget vett észre a Batrachia anatómiájában az osztály többi tagjához képest. Ezt a problémát 1804-ben Pierre Latreille úgy oldotta meg, hogy a Batrachiát a Kétéltűek nevű osztályba helyezte, a Reptilia csoportosítás többi részét pedig megtartotta. Ezért a Batrachiák az egyetlen olyan csoport, amelyet már nem hüllőknek, hanem kétéltűeknek ismernek el.
Brongniart legjelentősebb munkája az Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris volt Georges Cuvier-vel együttműködve a Párizs környéki geológiai tanulmányokról 1811-ben. Cuvier akkoriban megpróbálta kitalálni, hogy a fosszíliák milyen korszakokból származnak, és a kihalt emlősöket a korszakok alapján rekonstruálni. “Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” című tanulmányukban kilenc olyan képződményt azonosítottak, amelyek nagyon hosszú idő alatt alakultak ki. A képződményeket a legrégebbivel kezdve Kréta, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce és Limon d’aterrissement nevezték el. Brongniart megállapította, hogy a rétegek egy részében tengeri puhatestű kövületek, más részében pedig édesvízi puhatestű kövületek találhatók. E tengeri és édesvízi rétegek váltakozását arra használta fel, hogy megcáfolja azt az elméletet, miszerint a rétegeket egy zsugorodó óceán rakta le. A dolgozatot először 1808 áprilisában olvasták fel a nyilvánosság előtt, de 1808 júniusában, majd 1811-ben kibővítették. Ők voltak az elsők között, akik a kőzetek jellemzőire támaszkodva a kőzettartalom alapján vizsgálták a Földet, ahelyett, hogy a kőzetek tulajdonságaira támaszkodtak volna. Az együttműködés során bizonyítékokat találtak Abraham Werner neptunizmusa ellen is. Az eredmények Cuvier-t a katasztrofizmus megalkotására késztették.
Egy másik jelentős hozzájárulás a rétegtanban az volt, hogy az általa Párizsban vizsgált rétegek kövülettartalmát használta fel más helyeken található rétegek azonosítására a mélység vagy a litológia helyett, mivel a kőzetektől nem várható el, hogy pontosan ugyanolyan jellemzőkkel vagy mélységgel rendelkezzenek, ha különböző körülmények között rakódtak le.
1822-ben Brongniart publikálta az első teljes tanulmányt a trilobitákról, amelyben osztályozta az Európából és Észak-Amerikából származó változatokat, és megpróbálta koruk alapján csoportosítani őket. Ez a munka hozzájárult a paleozoikum rétegtanával kapcsolatos későbbi munkákhoz.