Durante sua vida, a considerável reputação científica de Priestley baseou-se em seu invento da "água carbonatada", seus escritos sobre a electricidade, e sua descoberta de vários "ares" (gases), sendo a mais famosa dentre suas descobertas o "ar deflogisticado" (oxigênio). No entanto, sua determinação em defender a Teoria do flogisto para rejeitar o que passaria a ser a Revolução Química, eventualmente deixava o invento oculto no interior da comunidade científica.

A ciência de Priestley foi sempre associada a sua teologia, e ele tentou consistentemente unir racionalismo iluminista com o teísmo cristão. Em seus textos de metafísica, tentou combinar teísmo, materialismo, e determinismo, um projeto que tem sido chamado de "audacioso e original". Ele acreditava que uma compreensão adequada do mundo natural deveria promover o progresso humano e, talvez, ter como consequência o evento dos Cristãos do Milênio. Priestley, que acreditava firmemente no livre e aberto intercâmbio de ideias, defendia a tolerância religiosa e igualdade de direitos para os religiosos dissidentes, o que também o levou a participar do unitarismo na Inglaterra. A natureza controversa de suas publicações, combinada com o seu apoio direto à Revolução Francesa, suscitou suspeitas governamentais; ele acabou por ser obrigado a fugir para os Estados Unidos após os distúrbios de Birmingham, em 1791.