Boltzmannova slava sloni na njegovem odkritju statične mehanike, ki jo je odkril neodvisno od Willard-a Gibbs. Sicer pa sta njuni teoriji povezali lastnosti in obnašanje atomov in molekul s tem pa tudi lastnosti in obnašanja substanc katerih osnovni gradbeni elementi so ti atomi in molekule.
Leta 1870 je izdal številne dokumente z dokazi da lahko drugi zakon termodinamike razložimo z zakoni mehanike in teorijo verjetnosti gibanja atomov. Tako je dokazal da je drugi zakon termodinamike le statističen in da se sistem približa stanju termodinamičnega ravnovesja, ker je ravnotežje najbolj verjetno stanje neke snovi.
Med temi raziskovanji, leta 1871, je izdelal tudi zakon o distribuciji energije, s pomočjo Mawella, med različnimi deli sistema pri specifični temperaturi, ki se imenuje Maxwell-Boltzmann-ov zakon o distribuciji. Ta zakon pravi da je povprečna energija gibanja nekega atoma enaka za katero koli smer.
Izpeljal je tudi enačbo za spremembo v distribuciji energije med atomi zaradi atomskih trkov. Bil je tudi eden izmed prvih znanstvenikov, ki je spoznal kako pomembna je bila elektromagnetna teorija Jamesa Clerka Maxwella iz Anglije.
1884 je nadaljeval delo Josef-a Stefan-a in pokazal kako je lahko Jozefov izkustven zakon T4, ki je bil izdan leta 1879, lahko izhaja iz načela termodinamike.
Njegove ideje niso bile sprejete pri mnogih znanstvenikih. Leta 1895 na znanstvenem srečanju v Lubeck-u je Wilhelm Ostwald izjavil:
" the actual irreversibility of natural phenomena thus proves the existence of processes that cannot be described by mechanical equations, and with this the verdict on scientific materialism is settled."
Boltzmann pa je še vedno branil svoje prepričanje. Leta 1905 je poizkušal razložiti svoje ideje v reviji Populare Schriften z besedami:
" May I be excused for saying with banality that the forest hides
the trees for those who tink that they disengage themselves from atomistics
by the consideration of differential equations."