Vanaf 1859 werkte hij bij zijn oom Semet, directeur van de gasfabriek in Sint-Joost-ten-Node (Brussel). Hier vond hij een methode om soda te maken uit (het) ammoniak(houdend water van de gasfabriek), kooldioxide en zout, die hij onmiddellijk patenteerde. Hij richtte in 1863 de Société Solvay et Cie op, samen met zijn broer Alfred.
Na de eerste twee sodafabrieken, 1865 in Couillet (B) en 1872 in Dombasle (F) bouwden zij een wereldomspannend concern op voor de productie van soda volgens het ammoniakproces, later het Solvayproces genoemd, dat het tot dan toegepaste Leblancproces volledig verdong.
In 1894 stichtte hij het Internationale Instituut voor Natuur- en Scheikunde in Brussel. Daar werden onder meer de fameuze Solvay-conferenties gehouden, waaraan veel vooraanstaande natuurwetenschappers deelnamen.
Hij was zeer sociaal voelend en ondersteunde diverse projecten voor het sociaal welzijn en de bevordering van de wetenschap. Van 1893 – 1900 was hij senator.