In seinen frühen Jahren konzentrierte sich Brongniart auf die Erforschung von Reptilien und veröffentlichte 1800 Essai dune classification naturally des reptiles, in dem er die Anatomie von Reptilien verglich, um sie in verschiedene Gruppen einzuteilen. Die vier Klassifikationen waren Chelonia, Sauria, Ophidia und Batrachia. Obwohl er Batrachia als eine Unterklasse von Reptilien klassifizierte, bemerkte Brongniart einen großen Unterschied in der Anatomie von Batrachia im Vergleich zum Rest der Klasse. Dieses Problem wurde 1804 von Pierre Latreille gelöst, indem Batrachia in eine Klasse namens Amphibien ersetzt wurde, und der Rest der Reptiliengruppe wurde beibehalten. Daher sind Batrachianer die einzige Gruppe, die nicht mehr als Reptilien anerkannt wird, da sie Amphibien sind.
Die bedeutendste Arbeit für Brongniart war Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris in Zusammenarbeit mit Georges Cuvier über Studien der Geologie um Paris im Jahr 1811. Damals, Cuvier versuchte herauszufinden, aus welchen Perioden die Fossilien stammen, und die ausgestorbenen Säugetiere anhand der Perioden zu rekonstruieren, aus denen sie stammen. Ihre Arbeit „Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris“ identifizierte neun Formationen, die sich über einen sehr langen Zeitraum gebildet hatten. Die Formationen, beginnend mit den ältesten, wurden Kreide, Argile Plastique, Calcaire grosser, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce und Limon d’exterrissement genannt. Brongniart fand heraus, dass einige der Schichten Meeresmolluskenfossilien hatten, und einige hatten Süßwassermolluskenfossilien. Er nutzte den Wechsel dieser Meeres- und Süßwasserschichten, um die Theorie zu widerlegen, dass Schichten von einem schrumpfenden Ozean abgelagert wurden. Das Papier wurde zuerst im April 1808 der Öffentlichkeit vorgelesen, aber im Juni 1808 und später 1811 erweitert. Sie gehörten zu den ersten Menschen, die die Erde anhand ihres fossilen Gehalts untersuchten, anstatt sich auf die Eigenschaften von Gesteinen zu verlassen. Während der Zusammenarbeit fanden sie auch Beweise gegen Abraham Werners Neptunismus. Die Ergebnisse veranlassten Cuvier, Katastrophen zu schaffen.
Ein weiterer bedeutender Beitrag in der Stratigraphie war die Verwendung des Fossilgehalts in den Schichten, die er in Paris untersuchte, um Schichten an anderen Orten anstelle von Tiefe oder Lithologie zu identifizieren, da nicht erwartet werden kann, dass Gesteine genau die gleichen Eigenschaften oder Tiefen aufweisen, wenn sie unter anderen Bedingungen abgelagert werden.
1822 veröffentlichte Brongniart die erste vollständige Studie über Trilobiten, in der er eine Sorte aus Europa und Nordamerika klassifizierte und versuchte, sie nach Alter zu gruppieren. Diese Arbeit trug zu späteren Arbeiten zur paläozoischen Stratigraphie bei.