Основные исследования относятся преимущественно к органической химии.
Предложил (1826) способ определения плотности паров веществ, с помощью которого установил атомные массы ряда элементов.
Определил (1827) состав ацетона и сложных эфиров.
Предложил (1830) объемный способ количественного определения азота в органических соединениях (метод Дюма).
Открыл (1832) в каменноугольной смоле антрацен (совместно с О.Лораном), установил состав камфары (1832) и ментола.
Получил алканы при сплавлении солей органических кислот со щелочью.
Изучал действие хлора на органические соединения (1833-1834), установил состав хлороформа и хлораля. На основании этих исследований сформулировал (1834) эмпирические правила замещения в органических соединениях водорода хлором (реакция металепсии).
Заложил первые представления о классе спиртов, изучив состав и свойства древесного и винного спиртов.
Установил, что жиры являются сложными эфирами.
Выдвинул (1839) первую теорию типов, имевшую большое значение в развитии органической химии.
Установил (1841) эмпирическую формулу индиго.
Впервые получил (1847) нитрилы, разработав общий метод их синтеза.
Дюма - автор обобщающих трудов "Курс химии в приложении к ремеслам" (1828), "Лекции по химической философии" (1836); один из редакторов "Летописей химии и физики" (с 1840). Президент Французского химического общества (1859). Член ряда академий наук и научных обществ. Иностранный член-корреспондент Петербургской Академии Наук (с 1845).