I sin tidiga ålder fokuserade Brongniart på studier av reptiler och publicerade Essai dune classification naturally des reptiles år 1800, där han jämförde reptilernas anatomi för att klassificera dem i olika grupper. De fyra klassificeringarna var Chelonia, Sauria, Ophidia och Batrachia. Men även om han klassificerade Batrachia som en underklass till Reptilia märkte Brongniart en stor skillnad i Batrachias anatomi jämfört med resten av klassen. Detta problem löstes 1804 av Pierre Latreille genom att Batrachia ersattes av en klass som kallades Amfibier, och resten av Reptilia-grupperingen behölls. Därför är Batrachians den enda grupp som inte längre erkänns som reptiler eftersom de är amfibier.
Det mest betydelsefulla arbetet för Brongniart var Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris i samarbete med Georges Cuvier om studier av geologin runt Paris 1811. Vid den tiden försökte Cuvier ta reda på vilka perioder fossilerna är från och rekonstruera de utdöda däggdjuren utifrån de perioder de är från. I deras dokument ”Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” identifierades nio formationer som hade bildats under en mycket lång tidsperiod. Formationerna, som började med den äldsta, kallades för krita, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce och Limon d’aterrissement. Brongniart fann att en del av lagren innehöll marina molluskerfossil och en del sötvattenmolluskerfossil. Han använde växlingen av dessa marina och sötvattensskikt för att motbevisa teorin om att strata avlagrades av ett krympande hav. Artikeln lästes först upp för allmänheten i april 1808, men förlängdes i juni 1808 och senare 1811. De var bland de första som studerade jorden utifrån dess fossilinnehåll i stället för att förlita sig på stenarnas egenskaper. Under samarbetet fann de också bevis mot Abraham Werners neptunism. Resultaten utlöste Cuvier till att skapa katastrofism.
Ett annat viktigt bidrag till stratigrafin var att han använde fossilinnehållet i de skikt han undersökte i Paris för att identifiera skikt på andra platser i stället för djup eller litologi, eftersom man inte kan förvänta sig att stenar ska ha exakt samma egenskaper eller djup om de avlagrats under olika förhållanden.
1822 publicerade Brongniart den första fullständiga studien av trilobiter där han klassificerade en mängd olika från Europa och Nordamerika och försökte gruppera dem utifrån ålder. Detta arbete bidrog till senare arbete om paleozoisk stratigrafi.