Un des tournants majeurs du siècle est la critique croissante des fondements théoriques hérités de l'Antiquité et du Moyen Âge. La théorie des quatre éléments d'Aristote (terre, air, feu, eau) et celle des trois principes de Paracelse (soufre, mercure, sel) sont remises en question par des savants qui cherchent des explications plus cohérentes avec les phénomènes observés. C'est dans ce contexte que Jan Baptista van Helmont, médecin et alchimiste, joue un rôle central. Il rejette à la fois les cadres aristotéliciens et paracelsiens, tout en conservant une vision du monde encore influencée par la mystique. Van Helmont mène des expériences minutieuses, notamment son célèbre « saule » : il plante un saule dans un pot contenant une quantité précise de terre, et l'arrose uniquement avec de l'eau pendant cinq ans. À la fin de l'expérience, l'arbre a considérablement augmenté de poids, tandis que la terre a presque pas changé. Il en conclut que la matière végétale provient principalement de l'eau, non de la terre. Cette expérience, bien que simpliste par certains aspects, est remarquable par son approche quantitative et expérimentale. 

Van Helmont introduit aussi le mot gaz, dérivé du mot chaos, pour désigner les substances aériformes qu'il considère comme des corps distincts, et non comme des modifications de l'air. Il identifie plusieurs types de gaz, notamment ce qu'il appelle le spiritus sylvestris  (gaz carbonique), produit par la fermentation et la combustion. Il insiste sur l'importance des réactions chimiques dans le corps vivant, voyant la digestion comme un processus de fermentation. Son travail marque une étape importante vers une chimie des processus vivants et une reconnaissance des corps gazeux comme entités réelles. 

Par ailleurs, le développement des instruments de mesure et des techniques de laboratoire progresse. La balance devient un outil fondamental pour quantifier les réactions. Les chimistes commencent à peser les réactifs et les produits, ce qui ouvre la voie à une approche plus rigoureuse des transformations de la matière. Les fours, alambics, creusets et récipients en verre se perfectionnent, permettant des opérations plus précises de distillation, de sublimation ou de calcination. Les laboratoires deviennent des lieux de travail plus organisés, souvent associés aux universités, aux cours royales ou aux sociétés savantes. 

L'un des phénomènes intellectuels majeurs du siècle est la création des sociétés savantes, comme la Royal Society de Londres (fondée en 1660) ou l'Académie des sciences de Paris (1666). Ces institutions favorisent la diffusion des connaissances, l'échange d'expériences et la publication de résultats. Elles encouragent une méthode basée sur l'observation, l'expérimentation et la vérification collective. Dans ce cadre, la chimie commence à être pratiquée comme une science publique, soumise à la critique et à la reproduction. 

Robert Boyle, membre fondateur de la Royal Society, incarne cette nouvelle approche. Dans son ouvrage majeur, The Sceptical Chymist (1661), il critique violemment les dogmes aristotéliciens et paracelsiens. Il affirme que les éléments ne doivent pas être définis par des principes philosophiques, mais par des corps simples, incapables d'être décomposés par les moyens chimiques connus. Pour Boyle, un élément est une substance fondamentale qui entre dans la composition des corps composés, et qu'on ne peut pas décomposer davantage. Cette définition, bien qu'encore imparfaite, annonce la notion moderne d'élément chimique. 

Boyle mène de nombreuses expériences sur l'air, la combustion, la calcination des métaux et les propriétés des acides et des alcalis. Il étudie notamment la compressibilité de l'air, établissant une loi (plus tard appelée loi de Boyle-Mariotte) selon laquelle, à température constante, le volume d'un gaz est inversement proportionnel à sa pression. Ce travail montre que les gaz peuvent faire l'objet d'une étude quantitative, ce qui renforce le statut de la chimie comme science expérimentale. 

Malgré ces avancées, la chimie du XVII^e siècle reste produit des théories contradictoires. La théorie du phlogistique, qui n'est pas encore formulée clairement à cette époque, commence à prendre forme. Elle sera développée plus tard au siècle suivant, mais ses racines se trouvent dans les tentatives d'expliquer la combustion et la calcination. Certains observent que les métaux, lorsqu'ils brûlent, deviennent plus lourds — ce qui contredit l'idée intuitive qu'un corps perdrait quelque chose en brûlant. Cette observation trouble profondément les esprits, car elle semble contredire les principes de la physique et de la chimie de l'époque. Van Helmont et d'autres avaient déjà noté ce phénomène, mais aucune explication satisfaisante n'est encore disponible. 

En parallèle, les applications pratiques de la chimie se développent dans les domaines de la métallurgie, de la teinture, de la fabrication du verre, des poudres à canon et de la pharmacopée. Les apothicaires et les artisans accumulent un savoir empirique de plus en plus riche, souvent transmis oralement ou par écrit dans des manuels techniques. Ce savoir pratique influence parfois les théories des savants, créant un dialogue entre science et technique. 

Enfin, la chimie commence à s'enseigner dans certaines universités, notamment en Allemagne et aux Pays-Bas, où des chaires spécifiques sont créées. Les cours combinent théorie et démonstrations expérimentales, ce qui contribue à former une nouvelle génération de chimistes. Les ouvrages de chimie se multiplient, mêlant descriptions d'expériences, recettes, et réflexions philosophiques.