Dans ses premiers âges, Brongniart s’est concentré sur les études des reptiles et a publié Essai dune classification naturally des reptiles en 1800, dans lequel il a comparé l’anatomie des reptiles afin de les classer en différents groupes. Les quatre classifications étaient Chelonia, Sauria, Ophidia et Batrachia. Cependant, même s’il a classé les Batrachies comme une sous-classe de Reptiles, Brongniart a remarqué une énorme différence dans l’anatomie des Batrachies par rapport au reste de la classe. Ce problème a été résolu en 1804 par Pierre Latreille en remplaçant les Batrachies dans une classe appelée Amphibiens, et le reste du groupe des Reptilias a été conservé. Par conséquent, les Batraciens sont le seul groupe qui n’est plus reconnu comme reptiles car ce sont des amphibiens.
Le travail le plus important pour Brongniart est l’Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris en collaboration avec Georges Cuvier sur les études de géologie autour de Paris en 1811. À l’époque, Cuvier essayait de comprendre les périodes d’origine des fossiles et de reconstruire les mammifères éteints en fonction des périodes d’origine. Leur article « Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris » a identifié neuf formations qui s’étaient formées sur une très longue période de temps. Les formations, en commençant par les plus anciennes, s’appelaient la Craie, l’Argile Plastique, le Calcaire grossier, le Calcaire silicieux, la Formation gypseuse, les Sabels et Gres marins, les Gres sans coquillilliers, le Terrain d’eau douce et le Limon d’érosion. Brongniart a découvert que certaines des strates contenaient des fossiles de mollusques marins et d’autres des fossiles de mollusques d’eau douce. Il a utilisé l’alternance de ces couches d’eau marine et d’eau douce pour réfuter la théorie selon laquelle les strates étaient déposées par un océan qui rétrécit. Le journal a été lu pour la première fois au public en avril 1808, mais a été prolongé en juin 1808 et plus tard en 1811. Ils ont été parmi les premiers à étudier la terre par son contenu fossile au lieu de s’appuyer sur les caractéristiques des roches. Au cours de la collaboration, ils ont également trouvé des preuves contre le neptunisme d’Abraham Werner. Les résultats ont poussé Cuvier à créer le catastrophisme.
Une autre contribution significative en stratigraphie a été l’utilisation de la teneur en fossiles des strates qu’il a examinées à Paris pour identifier des strates dans d’autres endroits au lieu de la profondeur ou de la lithologie, car on ne peut pas s’attendre à ce que les roches aient exactement les mêmes caractéristiques ou la même profondeur si elles sont déposées dans des conditions différentes.
En 1822, Brongniart publie la première étude complète des trilobites dans laquelle il classe une variété d’Europe et d’Amérique du Nord et tente de les regrouper en fonction de l’âge. Ces travaux ont contribué à des travaux ultérieurs sur la stratigraphie paléozoïque.