În primii ani de viață, Brongniart s-a axat pe studiul reptilelor și a publicat în 1800 Essai dune classification naturally des reptiles, în care a comparat anatomia reptilelor pentru a le clasifica în diferite grupe. Cele patru clasificări au fost Chelonia, Sauria, Ophidia și Batrachia. Cu toate acestea, chiar dacă a clasificat Batrachia ca o subclasă a Reptilia, Brongniart a observat o diferență uriașă în anatomia Batrachia în comparație cu restul clasei. Această problemă a fost rezolvată în 1804 de Pierre Latreille prin înlocuirea Batrachia într-o clasă numită Amphibians, iar restul grupării Reptilia a fost păstrată. Prin urmare, Batrachians este singurul grup care nu mai este recunoscut ca reptile, fiind amfibieni.
Cea mai importantă lucrare pentru Brongniart a fost Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris în colaborare cu Georges Cuvier privind studiile de geologie din jurul Parisului în 1811. La acea vreme, Cuvier încerca să-și dea seama din ce perioade provin fosilele și să reconstruiască mamiferele dispărute pe baza perioadelor din care provin. Lucrarea lor „Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” a identificat nouă formațiuni care s-au format pe o perioadă foarte lungă de timp. Formațiunile, începând cu cea mai veche, au fost denumite Chalk, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce și Limon d’aterrissement. Brongniart a constatat că unele dintre straturi aveau fosile de moluște marine, iar altele aveau fosile de moluște de apă dulce. El a folosit alternanța acestor straturi marine și de apă dulce pentru a infirma teoria conform căreia stratele au fost depuse de un ocean în scădere. Lucrarea a fost citită pentru prima dată publicului în aprilie 1808, dar a fost extinsă în iunie 1808 și mai târziu în 1811. Aceștia au fost printre primii oameni care au studiat Pământul după conținutul de fosile, în loc să se bazeze pe caracteristicile rocilor. În timpul colaborării, au găsit, de asemenea, dovezi împotriva neptunismului lui Abraham Werner. Rezultatele l-au determinat pe Cuvier să creeze catastrofismul.
O altă contribuție semnificativă în stratigrafie a fost folosirea conținutului de fosile din straturile pe care le-a examinat la Paris pentru a identifica straturile din alte locații, în locul adâncimii sau litologiei, deoarece nu se poate aștepta ca rocile să aibă exact aceleași caracteristici sau adâncime dacă s-au depus în condiții diferite.
În 1822, Brongniart a publicat primul studiu complet al trilobiților, în care a clasificat o varietate de trilobiți din Europa și America de Nord și a încercat să îi grupeze în funcție de vârstă. Această lucrare a contribuit la lucrările ulterioare privind stratigrafia paleozoică.
.