En sus primeras edades, Brongniart se centró en los estudios de reptiles y publicó Essai dune classification naturally des reptiles en 1800, en la que comparó la anatomía de los reptiles para clasificarlos en diferentes grupos. Las cuatro clasificaciones fueron Chelonia, Sauria, Ophidia y Batrachia. Sin embargo, a pesar de que clasificó a la Batraquia como una subclase de Reptilia, Brongniart notó una gran diferencia en la anatomía de la Batraquia en comparación con el resto de la clase. Este problema fue resuelto en 1804 por Pierre Latreille reemplazando a Batrachia en una clase llamada Anfibios, y el resto de la agrupación Reptilia se mantuvo. Por lo tanto, los batracios son el único grupo que ya no es reconocido como reptiles, ya que son anfibios.
El trabajo más significativo para Brongniart fue Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris en colaboración con Georges Cuvier en estudios de geología alrededor de París en 1811. En ese momento, Cuvier estaba tratando de averiguar los períodos de los que provienen los fósiles y reconstruir los mamíferos extintos en función de los períodos de los que provienen. Su artículo «Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris» identificó nueve formaciones que se habían formado durante un período de tiempo muy largo. Las formaciones, comenzando por las más antiguas, se llamaban Chalk, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d’eau douce y Limon d’aterissement. Brongniart encontró que algunos de los estratos tenían fósiles de moluscos marinos, y algunos tenían fósiles de moluscos de agua dulce. Utilizó la alternancia de estas capas de agua marina y dulce para refutar la teoría de que los estratos fueron depositados por un océano que se encogía. El periódico se leyó por primera vez al público en abril de 1808, pero se amplió en junio de 1808 y más tarde en 1811. Fueron las primeras personas en estudiar la tierra por su contenido fósil en lugar de depender de las características de las rocas. Durante la colaboración, también encontraron evidencias contra el neptunismo de Abraham Werner. Los resultados provocaron que Cuvier creara catastrofismo.
Otra contribución significativa en la estratigrafía fue el uso del contenido fósil en los estratos que examinó en París para identificar estratos en otros lugares en lugar de profundidad o litología, ya que no se puede esperar que las rocas tengan exactamente las mismas características o profundidad si se depositan en condiciones diferentes.
En 1822, Brongniart publicó el primer estudio de larga duración de trilobites en el que clasificó una variedad de Europa y América del Norte e intentó agruparlos en función de la edad. Este trabajo contribuyó a trabajos posteriores sobre estratigrafía paleozoica.