varhaislapsuudessaan Brongniart keskittyi matelijoiden tutkimuksiin ja julkaisi vuonna 1800 Essai dune classification naturally des matelijat, jossa hän vertaili matelijoiden anatomiaa ja luokitteli ne eri ryhmiin. Neljä luokittelua olivat Chelonia, Sauria, Ophidia ja Batrachia. Vaikka Brongniart luokittelikin Batrakian Reptilian alaluokkaan, hän huomasi batrakian anatomiassa valtavan eron muuhun luokkaan verrattuna. Tämän ongelman ratkaisi vuonna 1804 Pierre Latreille korvaamalla Batrachian Amphibians-nimiseksi luokaksi, ja loput Reptilia-ryhmityksestä säilytettiin. Siksi Batrakit ovat ainoa ryhmä, jota ei enää tunnisteta matelijoiksi, koska ne ovat sammakkoeläimiä.
merkittävin työ Brongniart oli Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris yhteistyössä Georges Cuvier tutkimuksia geologian noin Pariisin vuonna 1811. Tuolloin Cuvier yritti selvittää ajanjaksoja, joilta fossiilit ovat, ja rekonstruoida sukupuuttoon kuolleet Nisäkkäät niiden kausien perusteella. Heidän tutkielmansa ”Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris” tunnisti yhdeksän muodostelmaa, jotka olivat muodostuneet hyvin pitkän ajan kuluessa. Muodostelmia, alkaen vanhimmista, kutsuttiin nimellä The Chalk, Argile Plastique, Calcaire grossier, Calcaire silicieux, Formation gypseuse, Sabels et Gres marins, Gres sans coquilliers, Terrain d ’Eau douce ja Limon d’ aerrissement. Brongniart havaitsi, että osassa kerrostumista oli merellisten nilviäisten fossiileja ja osassa makean veden nilviäisten fossiileja. Hän käytti näiden merellisten ja makean veden kerrosten vuorottelua todistaakseen vääräksi teorian, jonka mukaan kerrostumat olivat kutistuvan meren kerrostumia. Lehti luettiin yleisölle ensimmäisen kerran huhtikuussa 1808, mutta sitä jatkettiin kesäkuussa 1808 ja myöhemmin 1811. He olivat ensimmäisiä ihmisiä, jotka tutkivat maapalloa sen fossiilipitoisuuden perusteella sen sijaan, että olisivat luottaneet kivien ominaisuuksiin. Yhteistyön aikana he löysivät myös todisteita Abraham Wernerin Neptunismia vastaan. Tulokset laukaisivat Cuvierin luomaan katastrofismia.
toinen merkittävä panos stratigrafiassa oli hänen Pariisissa tutkimiensa kerrostumien fossiilipitoisuuden käyttäminen muiden paikkojen kerrostumien tunnistamiseen syvyyden tai litologian sijaan, sillä kivillä ei voida olettaa olevan täsmälleen samoja ominaisuuksia tai syvyyttä, jos ne kerrostuvat eri olosuhteissa.
vuonna 1822 Brongniart julkaisi ensimmäisen täyspitkän trilobiittitutkimuksen, jossa hän luokitteli Euroopasta ja Pohjois-Amerikasta peräisin olevan lajikkeen ja yritti ryhmitellä niitä iän perusteella. Tämä työ osaltaan myöhemmin työtä Paleotsooinen stratigrafia.