Em sua juventude, Brongniart focou nos estudos dos répteis e publicou a classificação de dunas de Essai naturalmente des répteis em 1800, que ele comparou a anatomia dos répteis a fim de classificá-los em diferentes grupos. As quatro classificações foram Chelonia, Sauria, Ophidia e Batrachia. No entanto, embora ele tenha classificado Batrachia como uma subclasse de Reptilia, Brongniart notou uma enorme diferença na anatomia da Batrachia em comparação com o resto da classe. Este problema foi resolvido em 1804 por Pierre Latreille ao substituir Batrachia em uma classe chamada Anfíbios, e o resto do grupo da Reptilia foi mantido. Portanto, os Batráquios são o único grupo que não é mais reconhecido como répteis, pois são anfíbios.
O trabalho mais significativo para Brongniart foi Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris em colaboração com Georges Cuvier sobre estudos de geologia em torno de Paris em 1811. Na época, Cuvier estava tentando descobrir os períodos de origem dos fósseis e reconstruir os mamíferos extintos com base nos períodos de origem deles. O seu trabalho “Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” identificou nove formações que se tinham formado ao longo de um período de tempo muito longo. As formações, começando pelas mais antigas, chamavam-se Giz, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce e Limon d’aterrissement. Brongniart descobriu que alguns dos estratos tinham fósseis de moluscos marinhos, e alguns tinham fósseis de moluscos de água doce. Ele usou a alternância dessas camadas marinhas e de água doce para refutar a teoria de que os estratos eram depositados por um oceano em retração. O jornal foi lido ao público pela primeira vez em abril de 1808, mas foi estendido em junho de 1808 e mais tarde em 1811. Eles foram os primeiros a estudar a terra pelo seu conteúdo fóssil, em vez de confiar nas características das rochas. Durante a colaboração, eles também encontraram evidências contra o Neptunismo de Abraham Werner. Os resultados desencadearam Cuvier a criar catastrofismo.
Uma outra contribuição significativa na estratigrafia foi a utilização do conteúdo fóssil nos estratos que ele examinou em Paris para identificar estratos em outros locais em vez de profundidade ou litologia, pois não se pode esperar que as rochas tenham exatamente as mesmas características ou profundidade se depositadas em condições diferentes.
Em 1822, Brongniart publicou o primeiro estudo completo de trilobitas no qual ele classificou uma variedade da Europa e América do Norte e tentou agrupá-las com base na idade. Este trabalho contribuiu para o trabalho posterior na estratigrafia paleozóica.