Niezależnie od Daniela Rutherforda odkrył również azot.
Opisał właściwości kwasu fluorowodorowego i jego licznych soli, otrzymując kwas z fluorku wapnia. Wyizolował również tlenek węgla(II), siarkowodór, amoniak, fluorek wapnia, arszenik i gazowy chlorowodór. W trakcie badań nad arsenem otrzymał wodoroarsenin miedzi(II), nazywany zielenią Scheelego, a także ustalił skład błękitu pruskiego i boraksu. Jest także autorem nowych metod uzyskiwania eterów, kalomelu, magnezu. Badał związki fosforu i został twórcą wysokowydajnej metody uzyskiwania fosforu, która przyczyniła się do rozwoju szwedzkiego przemysłu produkcji zapałek, jego odkrycia przyczyniły się do powstania technik bielenia chlorem i otrzymywania fosforu z popiołu kostnego, a także udoskonalenia otrzymywania sody. Jako pierwszy dokładnie opisał przebieg ciemnienia chlorku srebra pod wpływem światła (1777 r.), co miało istotny wpływ na późniejszy rozwój fotografii. Jego badania doprowadziły do odkrycia fluorku krzemu w 1771 r.