Nato a Lismore, in Irlanda, iniziò gli studi a Eton; all'età di soli dodici anni intraprese, sotto la guida di un tutore, una lunga serie di viaggi sul continente europeo. Dopo un soggiorno in Irlanda, nel 1655 si stabilì a Oxford, dedicandosi a tempo pieno alla ricerca scientifica. In tale periodo, egli entrò in contatto con un gruppo di ricercatori votato allo studio della nuova filosofia sperimentale. Questo nucleo di scienziati e filosofi, di lì a pochi anni, darà vita alla Royal Society, di cui Boyle sarà uno dei fondatori. La fama di Boyle è saldamente legata alla definizione della nozione di "elemento chimico", enunciata per la prima volta nell'opera The Sceptical Chymist, pubblicata a Londra nel 1661. In questo lavoro, egli proponeva una rigorosa concezione corpuscolaristica della materia, in drastica opposizione alla tradizionale teoria aristotelica dei quattro elementi (acqua, aria, terra e fuoco). Nel 1657, stimolato dalla lettura di un resoconto degli esperimenti di pneumatica effettuati da Otto von Guericke (1602-1686), Boyle cominciò a pensare di costruire uno strumento che consentisse di produrre agevolmente il vuoto. Grazie alla collaborazione del suo assistente Robert Hooke (1635-1703), abilissimo nell'escogitare efficaci soluzioni anche per i più difficili problemi sperimentali, egli riuscì ben presto a realizzare una pompa pneumatica, con cui fu in grado di compiere importanti esperienze, descritte nei New Experiments physico-mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects (1660). Gli esperimenti compiuti con la pompa pneumatica messa a punto da Hooke consentirono a Boyle di dimostrare che la sospensione della colonna di mercurio nel tubo barometrico, rilevato dalle esperienze di Torricelli (1608-1647), era riconducibile senza incertezze alla pressione atmosferica, che il suono era impossibile nel vuoto, che l'aria era indispensabile alla vita e alla combustione e, inoltre, che essa era caratterizzata da una permanente elasticità. Proprio studiando questa caratteristica dell'aria, e attraverso ulteriori esperimenti descritti nella seconda edizione dei New Experiments (1662), Boyle giunse a determinare la relazione che lega il volume e la pressione di un gas a temperatura costante (il volume varia inversamente alla pressione), stabilendo così quell'importante principio fisico noto con il nome di "legge di Boyle".