Charles trabalhou como secretário no Ministério das Finanças mas, com o tempo, voltou-se para as questões da ciência e das experiências com eletricidade.

Por volta de 1787, Charles desenvolveu a lei que haveria de o celebrizar na área de física e da química. Trata-se da lei de Charles que se refere à forma como o volume de uma massa fixa de gás varia proporcionalmente com a temperatura, mantendo-se a pressão constante. Enunciado de forma moderna, a pressão constante, o volume de uma dada massa de gás varia proporcionalmente com o valor da sua temperatura absoluta.

Charles desenvolveu uma série de invenções, incluindo um hidrómetro e um goniómetro (aparelho medidor de ângulos) refletor. Além disso, efetuou melhorias no helióstato de Gravesande e no aerómetro de Fahrenheit. Juntamente com os irmãos Robert, Nicolas e Anne-Jean, construiu um dos primeiros balões de hidrogénio. Foi eleito para a Academia das Ciências de Paris e, posteriormente, tornou-se professor de física. As suas publicações versaram essencialmente sobre matemática.