Brønsted gjorde banbrytande insatser inom fysikalisk kemi. I Affinitetsstudier (1–13, 1906–21) bestämde han ändringen i fri energi för en rad kemiska processer. Några av dessa arbeten gav starkt stöd åt termodynamikens tredje huvudsats, som hade framlagts av W.H. Nernst 1906. Brønsted utarbetade vidare metoder för bestämning av joners aktivitetsfaktorer.