En 1807, il fait paraître un Traité élémentaire de minéralogie, , qui devient rapidement un classique sur ce domaine. À la suite de la publication en 1810 d'un Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris, il rédige avec Georges Cuvier, en 1812, une Description géologique des environs de Paris (refondue en 1822). À la suite de ses travaux dans le bassin parisien, Brongniart fonde la paléontologie stratigraphique française : désormais les fossiles jouent un rôle de repère dans la chronologie relative des terrains sédimentaires. Il précise cette chronologie, et en particulier la subdivision des terrains tertiaires, dans un ouvrage publié en 1829 : Tableau des terrains qui composent l'écorce du globe. Essai sur la structure de la partie connue de la Terre.
Le nom d'Alexandre Brongniart est également resté associé au terme d'ophiolite (du grec ophis, serpent), qu'il emploie en 1813 pour désigner une roche dont l'aspect évoque celui d'une peau de serpent, et d'ophicalce. Aujourd'hui, ce terme ne désigne plus seulement la roche elle-même (rebaptisée serpentine), mais un complexe de roches caractéristique d'une lithosphère océanique charriée sur le continent, et composé en partie de serpentines. Il donna également de nom de variolite à une roche ou galet qui présente dans sa structure de petites pustules blanches qui rappellent la variole.
Philomate, il est en 1801 l’un des fondateurs de la Société d’encouragement pour l’industrie nationale. Il est élu membre de l'Académie des sciences en 1815.
En 1844 paraît son Traité des arts céramiques ou des Poteries, avec atlas, œuvre capitale qui résume les recherches de toute sa vie. Il détermine deux grandes catégories en fonction de la nature de la pâte cuite, tendre (poreuse) ou dure (imperméable).