Zwischen 1876 und 1878 schrieb er eine Artikelserie mit dem On the Equilibrium of Heterogeneous Substances die als eine der größten Errungenschaften der Physik des 19. Jahrhunderts angesehen wird und als Grundlage der physikalischen Chemie gilt. In diesen Artikeln wandte Gibbs Thermodynamik an um physikochemische Erscheinungen zu interpretieren. den erörterten Lehrsätzen gehört auch die Phasenregel. Artikel über Thermodynamik erschienen in den Transactions of the Connecticut Academy . On the Equilibrium of Heterogeneous Substances wurde 1891 ins Deutsche und 1899 ins Französische übersetzt; die enthaltenen Lehrsätze in Europa bekannt und angewandt.
Für die Vektoranalysis schuf Gibbs eine Methode die mathematische wesentlich vereinfachte die seinerzeit die theoretische Behandlung Maxwellschen Elektrodynamik stark voranbrachte.