Hij publiceerde in 1756 ‘Nieuwe inzichten in de scheikunde’. Van hem is het begrip ‘latente warmte’ afkomstig, evenals de term ‘fixed air’ voor het gas dat ontstond bij de verhitting van calciumcarbonaat: kooldioxide.
Met zijn leerling Daniël Rutherford onderzocht hij de chemische aspecten van de gassen, die bij ontleding van verbindingen ontstaan. Ook de warmte-effecten bij deze reacties werden onderzocht. Hij formuleerde een theorie over smelt- en verdampingswarmte. Black was ervan overtuigd dat warmte, licht, elektriciteit en flogiston niet grijpbare, onweegbare stoffen waren.
Hij deed tevens veel onderzoek naar de zouten van de alkali- en aardalkalimetalen. In 1755 ontdekte hij magnesiumcarbonaat als verbinding naast het bekende calciumcarbonaat.