In zijn jonge jaren legde Brongniart zich toe op de studie van reptielen en publiceerde hij in 1800 Essai dune classification naturelle des reptiles, waarin hij de anatomie van reptielen vergeleek om ze in verschillende groepen in te delen. De vier classificaties waren Chelonia, Sauria, Ophidia en Batrachia. Hoewel hij Batrachia indeelde als een subklasse van de Reptilia, merkte Brongniart toch een groot verschil op in de anatomie van Batrachia in vergelijking met de rest van de klasse. Dit probleem werd in 1804 opgelost door Pierre Latreille door Batrachia te vervangen door een klasse genaamd Amfibieën, en de rest van de Reptilia-groepering werd gehandhaafd. Daarom is de Batrachia de enige groep die niet langer als reptielen wordt erkend, omdat het amfibieën zijn.
Het belangrijkste werk voor Brongniart was Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris in samenwerking met Georges Cuvier over studies van de geologie rond Parijs in 1811. In die tijd probeerde Cuvier uit te vinden uit welke perioden de fossielen stammen en de uitgestorven zoogdieren te reconstrueren aan de hand van de perioden waaruit ze stammen. Hun paper “Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” identificeerde negen formaties die over een zeer lange periode waren gevormd. De formaties, te beginnen met de oudste, werden het Krijt, Argile plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce, en Limon d’aterrissement genoemd. Brongniart ontdekte dat sommige lagen fossielen van mariene weekdieren bevatten, en andere fossielen van zoetwater weekdieren. Hij gebruikte de afwisseling van deze zee- en zoetwaterlagen om de theorie te weerleggen dat de lagen waren afgezet door een krimpende oceaan. Het artikel werd voor het eerst aan het publiek voorgelezen in april 1808, maar werd in juni 1808 en later in 1811 uitgebreid. Zij behoorden tot de eersten die de aarde bestudeerden aan de hand van haar fossiele inhoud in plaats van zich te baseren op de kenmerken van gesteenten. Tijdens de samenwerking vonden zij ook bewijzen tegen het Neptunisme van Abraham Werner. De resultaten zetten Cuvier aan tot het creëren van catastrofisme.
Een andere belangrijke bijdrage in de stratigrafie was het gebruik van het fossielengehalte in de lagen die hij in Parijs onderzocht om lagen op andere plaatsen te identificeren in plaats van diepte of lithologie, omdat van gesteenten niet kan worden verwacht dat ze exact dezelfde kenmerken of diepte hebben als ze onder verschillende omstandigheden zijn afgezet.
In 1822 publiceerde Brongniart de eerste volledige studie van trilobieten, waarin hij een verscheidenheid uit Europa en Noord-Amerika classificeerde en probeerde ze te groeperen op basis van ouderdom. Dit werk droeg bij tot latere werkzaamheden over de paleozoïsche stratigrafie.