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自施塔爾於1703年系統地提出燃素說之後，化學界在很長一段時間內為之統治，並無一人懷疑此學說的真偽。這樣，燃素說大一統的局面維持了近百年之久，然而17世紀中葉之後，科學家陸續發現了一些新氣體，同時發現了一些學術上的新問題，這些問題如果用燃素說來解釋則不同程度上有附合之嫌。從此，燃素說的弊端漸漸暴露出來。首先，布拉克在1775年的實驗中，發現了碳酸氣體並且首先套用一定量的方法對其進行研究。布拉克把石灰石煅燒前後分別稱了重量，發現石灰石在煅燒後重量減輕了44％，他斷定這是因為有氣體從中放出的緣故。布拉克又發現石灰石與酸作用放出一種氣體，用石灰來吸收這種氣體，發現其重量與煅燒時放出的相等，並且該氣體與石灰水作用生成了性質與石灰石相同的沉澱物。布拉克稱這種氣體為“固定空氣”。在以後的實驗中，布拉克弄清了鎂石與鎂土的區別，即鎂石中含有“固定空氣”，失之則成為鎂土。布拉克的發現與燃素而成為石灰，這與布拉克在實驗中發現的燃燒失重並轉變成石灰，以及蘇打轉變為苛性鹼，都是由於失去酸性的“固定空氣”所引起的，而與吸收不吸收燃素毫無關係，斷然否定了燃素說。
如果說布拉克發現碳酸氣是對燃素說的一次有力的批判，氫和氮的發現則更進一步動搖了燃素說的基礎。
在化學史上，很難說究竟是認第一個發現了氫氣，但第一個收集並研究其性質的化學家凱文迪什。他在實驗中用鐵和鋅等金屬作用於鹽酸及稀硫酸製得了氫氣，並用排水法收集了這種氣體。在研究中，凱文迪什發現了定量的某種金屬和足量的各種酸作用，所產生的氫氣的數量總是固定的，與所用酸的種類及酸的濃度並無關係，並發現氫氣是與空氣混合後點燃會發生爆炸，這與其他空氣不一樣。
但是，凱文迪什是燃素說的忠實信徒，他用燃素說的觀點對氫的生成及其性質進行解釋。凱文迪什認為金屬中含有燃素，金屬在酸中溶解的時候，它們的所含的燃素便釋放了出來，並形成了這種“易燃空氣”。他甚至說氫氣就是燃素，並說把氫氣充到氣球中，氣球會徐徐上升的現象恰恰證明了燃素有負重量。當時許多燃素說的信徒們都為凱文迪什的說法吶喊助威，但是當凱文迪什自己弄清了浮力的問題後，通過精確研究證明氫氣是有重量的，只是它比空氣輕的多。為此，凱文迪什和其他的信徒們又說，氫並非純粹的燃素，而是燃素和水的化合物。其牽強附會的可見一斑，氫的發現以及有關它的爭論又一次動搖了燃素說。
1772年，布拉克的學生盧瑟福在實驗中發現了氫氣，發現這種氣體不能維持動物生命並能滅火的性質。同年，普利斯特里也發現了氮氣。但是，盧瑟福和普利斯特里都是燃素說的虔誠信徒，他們雖然而對著諸多難以理解的實驗現象，卻不去思考其真正原因，而是很輕率地套用了燃素說的觀點。他們認為氮氣是一種“被燃素飽合了的空氣”，因此失去了助燃的能力。顯然，他們也不承認氮是空氣中的成分之一，用以頑固地維護燃素說。
如果說碳酸氣、氫氣和氮氣的發現是推翻燃素說的導火索，那么，氧的發現則是這一事件的火藥。然而，這一火藥在最初發現氧的舍勒和普利斯特里的手中卻遲遲未能引爆，直到拉瓦錫對氧進行了深入的研究之後才摧毀了燃素說的老巢。這是什麼原因呢？這不能說是陳舊觀念的一種垂死爭扎，同時也由於舍勒和普利斯特里兩人在研究工作中無法擺脫頑固的舊觀念也未能更全面地進行研究的結果。
1774年前後，舍勒和普利斯特里分別先後獨立地發現並製得了氧氣，然而由於兩人都是燃素說的信徒，受之困擾，對氧氣能使火燃燒的更好的現象，他們都用了燃素說的解釋。舍勒稱氧氣為“火氣”，他仍認為燃燒是空氣中的這種火氣成分與燃燒體中燃素結合的過程，火是火氣與燃素生成的化合物。普利斯特里則認為，空氣乃是單一的氣體，助燃能力之所以不同僅因為燃素含量的不同。他認為氧是一種“脫燃素空氣”，故而吸收燃素的能力很強，助燃能力也就格外大。
正如恩格斯所說，舍勒和普利斯里“從歪曲的、片面的、錯誤的前提出發，循著錯誤的、彎曲的、不可靠的途徑前進，往往當真理碰到鼻尖上的時候還是沒有得到真理。”這種本來可以推翻全部燃素說的觀點並使化學發生革命的元素，在他們手中沒能結出果實。
1756年，俄國科學家蒙諾索夫曾在密閉的玻璃器內煅燒金屬，發現金屬燃燒後重量增加，他認為這是由於金屬在煅燒時吸了空氣的緣故。1774年，法國人貝岩曾發表過一篇討論氧化汞的論文，他認為水銀被煅燒後，不但沒有失去燃素，而且和空氣化合，增加了重量地。但是，他們的研究是不全面的，也不是定量的，更沒有認識到氧是一種新元素，從而對其性質進行透徹的研究。
對燃燒現象作全面的研究，令人信服地徹底推翻燃素說並建立科學燃燒學說這一歷史輥由拉瓦錫完成的。
氧氣發現後不久，法國化學家拉瓦錫了解到普利斯特里製得氧的方法，在此之前，拉瓦錫已做過了煅燒金屬的實驗，他在工作中非常注重量的研究。1774年，他用錫和鉛做了著名的金屬煅燒實驗，他首先將實驗用的鉛和錫進行精確稱量，將它們放入曲勁瓶中，將瓶封閉後再準確稱量鉛、錫與瓶的總重量。準備就緒後，進行加熱，直到鉛、錫變為灰燼。再稱量總重，與試驗前一樣。之後，當他把瓶子打開時發現空氣沖了進去，這時再對瓶及煅灰進行稱量，發現總生日重量增加了，另外，他發現金屬在煅燒後重量也增加了，所增重量恰恰是等於空氣衝進瓶後總增量。因此，拉瓦錫斷定，金屬所增加的重量，既不是來自水中，也不是來自瓶外任何物質，只能是金屬結合了瓶中部分空氣的結果。在這種鮮明的事實面前，拉瓦錫對燃素說產生了極大的懷疑。
金屬的煅灰會不會是金屬和空氣的化合物？這了驗證這一點，拉瓦錫又用煅灰做了許多實驗。他發現，把鉛煅灰與焦碳一起加熱時有大量“固定空氣”釋放出來，與此同時，煅灰還原成金屬鉛。這些“固定空氣”是從哪裡來的呢？他感到這絕不僅僅是從焦碳里吸取一點燃素那樣簡單了。聯繫到焦炭在空氣中燃燒也生成“固定空氣”的事實，拉瓦錫更加確信煅灰是金屬和空氣相結合的產物，而煅灰在用焦炭還原時所放出來的“固定空氣”，一定是從煅灰中釋放出來的空氣與焦碳相結合的結果。要進一步證實這個結論，最最有說服力的當然是設法從金屬煅灰中直接分解出來空氣，然而實驗卻未能成功。
恰在這時，普利斯特里會見了拉瓦錫，告訴了拉瓦錫製得氧氣的方法。拉瓦錫重複了普得斯特里垢實驗，果然從汞煅灰中分解出了比普通空氣更加助燃、助呼吸的氣體，拉瓦錫於1777年將這種氣體正式命名為Oxygene(氧）。意為“成酸元素”。上述實驗有力地證明了拉瓦錫否定燃素說的結論，說明可燃物質的燃燒或金屬變為煅灰並不是分解反應，而是與氧化合的反應，用化學式表示為：
金屬+氧=煅灰
而絕非燃素說的所謂
金屬-燃素=煅灰
此後，拉瓦錫又對金屬的氧化與還原的反應進行了很精確的定量研究，證明了化學反應中質量不滅的定律。同時，他又做了大量的燃燒實驗，對種種物質燃燒後的產物進行了一一試驗研究。在幾年的積累、歸納總結之後，拉瓦錫於1777年提出了科學的燃燒學說-氧化學說。此後不久，水的合成和分解試驗取得成功，氧化學說也隨之為舉世公認了。
