焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系.这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》,是1843年在英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的.此后,他用不同材料进行实验,并不断改进实验设计,结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同,结果都相差不远；并且随着实验精度的提高,趋近于一定的数值.最后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上,其中阐明：第一,不论固体或液体,摩擦所产生的热量,总是与所耗的力的大小成比例.第二,要产生使1磅水（在真空中称量,其温度在50～60华氏度之间）增加1华氏度的热量,需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功.他精益求精,直到1878年还有测量结果的报告.他近40年的研究工作,为热运动与其他运动的相互转换,运动守恒等问题,提供了无可置疑的证据,焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一.