Cavendish được biết đến là một trong những nhà hóa học về các chất khí của thế kỷ thứ XVIII và XIX, cùng với một số các nhà khoa học khác như Joseph Priestley, Joseph Black, Daniel Rutherford. Bằng việc cho các kim loại phản ứng với các acid mạnh, Cavendish đã tìm ra khí Hydro, và ông đã nghiên cứu về nó. Mặc dù một số đồng nghiệp khác, như Roberts Boyle, đã tạo ra được khí Hydro sớm hơn, thế nhưng, Cavendish vẫn được giải thưởng vì đã nhận biết được nguyên tố này trong tự nhiên.

Cavendish đã tìm ra rằng khí Hydro, cái mà ông gọi là "khí không cháy", khi phản ứng với khí Oxy sẽ tạo ra nước. James Watt và Antoine Lavoisier cũng đã làm những thí nghiệm tương tự. Và trong một thời gian dài, đã có sự tranh cãi gay gắt về việc ai là người đầu tiên thực hiện thí nghiệm trên.

Cavendish cũng đã tìm ra được gần như chính xác các thành phần khí quyển của Trái Đất. Ông cho rằng: 79,167% là các chất khí "phlogisticated air", bây giờ đã được xác định là khí Nitơ và Ar, 22,8333% là các chất khí gọi là "dephlogisticated air", mà bây giờ được xác định là khí Oxy, chiếm 20,95%. Cavendish cũng khám phá ra rằng 1/20 bầu không khí của Trái Đất được tạo nên từ một loại khí thứ 3 vốn là khí Argon, được tìm ra bởi William Ramsay và Lord Rayleigh khoảng hơn 100 năm sau.