Sa fortune personnelle lui permis d’acheter une charge de fermier général (1768) et, en 1771, il épousa, Marie-Anne Paulze, fille du fermier général, Jacques-Alexis Paulze, directeur de la Commission du tabac et supérieur hiérarchique direct du jeune homme. Union bénéfique qui débuta une longue collaboration scientifique. Tout était en place pour que Lavoisier mette ses nombreux talents et sa force de travail au service des diverses fonctions qu’il exerça : scientifique, serviteur de l’état, économiste, financier, juriste, agronome, hygiéniste, réformateur des poids et mesures et de l’instruction publique.
Son apprentissage de la rigueur du raisonnement et son goût de la précision en avaient fait un spécialiste de l’analyse chimique. Il posa les bases de protocoles expérimentaux reproductibles, socle de la chimie moderne dont il est considéré comme le père.
« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » résumait-il en reformulant la maxime du philosophe grec Anaxagore. Selon lui, cette loi de la conservation de la matière était applicable à toutes les sciences, notamment à la chimie.
Parmi tous ses travaux, son nom reste particulièrement attaché à l’oxygène qu’il ne découvrit pas mais qu’il fut le premier à nommer, en 1777. Il y réussit avec ses recherches sur la synthèse de l’eau en prouvant qu’elle était bien un composé. Durant des années, il s’attaqua à d’expériences sur l’air atmosphérique lui faisant découvrir sa composition exacte, comme il prouva que la combustion était due à l’oxygène qui permet de respirer.
Régisseur des poudres et salpêtres à l’Arsenal, ses traitements de fermier général et de régisseur lui procurèrent les fonds nécessaires à l’achat d’instruments très fiables qu’il fit construire sur mesure par les meilleurs artisans : gazomètres, balances de précision, séries de poids, baromètres. Grâce à ses instruments, il put effectuer des mesures très fines, de peser les éléments mis en jeu avant et après chaque expérience, et d’arriver ainsi à la confirmation de la loi de la conservation de la matière.
Il participa aussi à la nomenclature chimique (1786).
En 1789, il publia son Traité élémentaire de chimie, marquant le début de la chimie organique, qui connut un vif succès.
Adepte des idées philosophiques, il accueillit avec enthousiasme les débuts de la Révolution. Ecarté progressivement de ses responsabilités politiques et financières à partir de 1791, en tant qu’académicien, et à la demande l’Assemblée nationale, il consacra alors beaucoup de son temps à des missions scientifiques et techniques en guidant les travaux des artistes dans des domaines très divers.
Il fut également l’initiateur et le maître d’œuvre de l’unification cohérente des unités.
En1793, il participa à la création du lycée des Arts et contribua au débat sur l’instruction publique.
Mais son dévouement au bien public ne le protégea pas. Il eut beau réclamer l’abolition des corvées, la liberté de commerce, la création de caisses d’assurances pour les pauvres et les personnes âgées, etc., il avait été et restait dans l’opinion un fermier général d’autant plus haï que sa lutte contre la contrebande et les fraudes du tabac lui avait valu l’animosité de détaillants et qu’on ne lui pardonnait pas la construction de l’enceinte autour de Paris (mur des Fermiers généraux) qu’il avait recommandé afin de mieux contrôler l’entrée et les fraudes des alcools.
Après avoir supprimé l'Académie, la Convention décréta l'arrestation de tous les fermiers généraux, (nov. 1793). Lavoisier vint lui-même se constituer prisonnier. Il profita de son emprisonnement de plusieurs moispour travailler l’édition des huit volumes de ses Mémoires scientifiques tout en préparant sa défense. Lors de son procès expéditif, il demanda un délai de huit jours pour terminer une opération chimique importante ce qui lui fut refusé car : « La république n’a pas besoin de savants, il faut que la justice suive son cours ! ».
Ainsi l’un des plus grands savants du 18ème siècle, alla-t-il perdre la tête sur l’échafaud avec une trentaine de fermiers généraux dont son beau-père. Antoine Lavoisier fut inhumé dans une fosse commune du cimetière des Errancis avant que sa dépouille ne soit, par la suite, transportée aux Catacombes.