В 1819 г. Дюлонг, совместно с профессором физики Политехнической школы А. Т. Пти, установил закон теплоёмкости твёрдых тел, согласно которому произведение удельных теплоёмкостей простых твёрдых тел на атомную массу образующих элементов есть величина приблизительно постоянная (в современных единицах измерения равная примерно 25 Дж/(г·К)); ныне это соотношение носит название "закон Дюлонга – Пти". Закон удельной теплоёмкости, довольно долгое время остававшийся незамеченным современниками, послужил впоследствии основой метода приближённой оценки атомных масс тяжёлых элементов. В 1818 г. Дюлонг и Пти вывели также общую формулу для скорости охлаждения твёрдых тел.
Кроме того, Дюлонг определил давление насыщенного водяного пара при разных температурах. сконструировал (1830) водяной калориметр.
Член Парижской академии наук, с 1832 г. – непременный секретарь академии.