งานด้านวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดของบ็อลทซ์มันได้แก่ ทฤษฎีจลนศาสตร์ รวมถึงการศึกษาความเร็วของโมเลกุลแก๊สในสมการการกระจายของแมกซ์เวลล์-บ็อลทซ์มัน วิชาสถิติของแมกซ์เวลล์-บ็อลทซ์มันและการกระจายของบ็อลทซ์มันเกี่ยวกับพลังงานยังเป็นพื้นฐานสำคัญของวิชากลศาสตร์สถิติดั้งเดิมอีกด้วย โดยนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์หลายอย่างที่ไม่จำต้องใช้หลักสถิติควอนตัม และทำให้สามารถเข้าใจผลเกี่ยวกับอุณหภูมิได้อย่างลึกซึ้ง

โดยมากแล้วการคิดค้นทางฟิสิกส์ไม่สอดคล้องกับความเชื่อของบ็อลทซ์มันเกี่ยวกับความเป็นจริงของอะตอมและโมเลกุล งานที่สอดคล้องกับเขามาจากแมกซ์เวลล์ในสกอตแลนด์ และกิบส์ในสหรัฐอเมริกา กับนักเคมีจำนวนหนึ่งหลังจากการค้นพบของจอห์น ดาลตัน ในปี ค.ศ. 1808 บ็อลทซ์มันต้องต่อสู้โต้เถียงกับบรรณาธิการนิตยสารด้านฟิสิกส์ในเยอรมนีผู้มีชื่อเสียงเป็นเวลายาวนาน เพราะบรรณาธิการผู้นั้นปฏิเสธผลงานของบ็อลทซ์มันที่อ้างอิงถึงอะตอมกับโมเลกุลในลักษณะอื่นที่ไม่สอดคล้องกับโครงสร้างทางทฤษฎีในยุคนั้น แต่หลังจากบ็อลทซ์มันเสียชีวิตไปไม่กี่ปี ผลการศึกษาสารแขวนลอยของแปแร็งได้ยืนยันตัวเลขของค่าอาโวกาโดรและค่าคงที่บ็อลทซ์มัน ทำให้โลกยอมรับว่าอนุภาคเล็กๆ อย่างอะตอมนั้นมีอยู่จริง ๆ

พลังค์ได้กล่าวไว้ว่า "บุคคลแรกที่ระบุความสัมพันธ์แบบลอการิทึมระหว่างเอนโทรปีกับความน่าจะเป็น คือ เอ็ล. บ็อลทซ์มัน ในทฤษฎีจลนศาสตร์ของแก๊สของเขา"[1] สมการเอนโทรปี S อันโด่งดังนี้คือ[2][3]

โดยที่ k {\displaystyle k} = 1.3806505(24) × 10−23 JK−1 คือค่าคงที่บ็อลทซ์มัน และ log ในที่นี้เป็นลอการิทึมฐานธรรมชาติ (e) W {\displaystyle W} คือ Wahrscheinlichkeit หรือความถี่การเกิด macrostate[4] หรือกล่าวให้ตรงคือค่าความเป็นไปได้ในการเกิด microstates เมื่อเทียบกับสถานะ macroscopic ของระบบ