Studien mätte giftig kvävedioxid (NO2) nivåer med 40 sensorer i och runt flygplatsen.
Den använde sedan modellering för att förutsäga vad som skulle hända i framtiden.
Aviation Environment Federation (AEF) sade dock att forskningen var "mycket spekulativ" och det fanns ingen garanti för att föroreningsnivåerna skulle sjunka.
Ministrarna kommer inom några veckor att besluta om utvidgningen av Heathrow eller rivaliserande Gatwick och miljöpåverkan kommer att spela en stor roll i detta beslut.
Arbetet leddes av universitetet i Cambridge och har inga formella länkar till någon flygplats eller regering.
Prof Rod Jones från University of Cambridge berättade för BBC: "Om det är utvecklingen av en tredje bana, vi förväntar oss att det kommer en marginell ökning av NO2 kommer från flygplatsen själv, men det skulle vara mot bakgrund av minskad NO2 från annan trafik, på grund av Euro 6 motorer och elektrifiering av trafikflottan."
Med andra ord handlar det om trafik på vägarna, snarare än flygplan i luften, eftersom det är där som huvuddelen av de giftiga kvävedioxidgaserna kommer ifrån.
När nya, renare bilar, lastbils- och bussmotorer blir vanligare, bör föroreningsnivåerna minska och utplåna varje ökning från en större Heathrow.
Cait Hewitt, biträdande chef för AEF, sade dock att planen var att den tredje banan skulle vara i drift till 2020.
– Antagandet måste vara att vi under det kommande årtiondet skulle gå från att ha ungefär 57 procent av Londons fordonsflotta som dieselfordon till att i stället ha ultrarena elfordon i hela huvudstaden. Det finns bara inte bevis som tyder på att det kommer att hända, "sade Ms Hewitt.
Prof Jones sa att med hjälp av många mindre sensorer, prickade på svåråtkomliga platser, gav dem en klarare bild av vad som pågick.
"Genom att distribuera ett nätverk av sensorer kan vi se direkt från mätningarna, vad som har släppts ut lokalt från Heathrow flygplats och vad som har blåst in, mestadels från centrala London. Det är den verkliga styrkan i sensornätverket," sade han.
– Det största resultatet av denna studie är att vi har testat modellerna betydligt mer kritiskt än du kan från en enda mätplats.
För närvarande har luften stigit över de europeiska hälsogränserna på flera platser nära Heathrow. Detta arbete tyder på att som renare motorer sparka i nivåer kommer att falla igen.
Det är en slutsats som stämmer i stort med tidigare forskning för regeringen, men att forskningen förlitade sig på uppskattningar, medan detta senaste arbete använde mer exakta, verkliga mätningar.
Motståndare tror att luftkvalitet är akilleshälen för Heathrow expansion och kan vara där det utmanas i domstolarna. Det var vad som hände sist de ville bygga en tredje landningsbana.
Keith Taylor, som är ledamot av Europaparlamentets transportutskott och den gröna parlamentsledamoten för sydöstra England, berättade för BBC:
"Det är helt spekulativt att föreslå att varje förmodad minskning av trafikföroreningarna kommer att uppväga flygplatsens expansion.
"Den luftföroreningar kris i Storbritannien som är ansvarig för dödsfall av uppskattningsvis 50 000 människor varje år, en ansvarsfull regering skulle inte underhålla tanken på att stödja ett projekt som, vilket framgår av rapporten, kommer att öka giftigheten i den luft vi alla andas.
"Vi måste sträva efter så låga utsläpp som möjligt, inte bara försöka smyga in under de europeiska målen, genom att förlita oss på överoptimistiska trafikprognoser. Rätt antal nya start- och landningsbanor är noll".
Flygplatsexpansion har tryckts under en matta på Downing Street i årtionden, men nu säger de konservativa att de vill fortsätta med det.
Det aktuella "hot date" för ett beslut är den 18 oktober, men det kan ändras.
Att plocka Heathrow skulle sätta katten bland duvorna, eftersom ett antal uppmärksammade ministrar, inklusive utrikesminister Boris Johnson och utbildningsminister Justine Greening, är emot planen. Även förbundskansler Phillip Hammond har tidigare gynnat Gatwick.
Premiärminister Theresa May kunde ge sina parlamentsledamöter en fri omröstning i frågan för att undvika att någon måste avgå.
Intressant nog sitter mrs Mays valkrets under flygvägen, men det är svårt att finna att hon öppet motsätter sig expansionen. Motståndare vid Heathrow Association for the Control of Aircraft Buller lyckades gräva fram detta från sin webbplats i maj 2010, när koalitionen kom in och annullerade Labours tredje bana schema. Det finns inte på hemsidan nu, de var tvungna att använda en speciell arkiveringstjänst för att hitta det.
May sade då: " Liksom många andra invånare i området välkomnar jag starkt att den tredje landningsbanan vid Heathrow ställs in. Att utvidga Heathrow på detta sätt skulle ha haft en skadlig inverkan på Maidenhead- och Twyfordområdena genom att öka ljud- och föroreningsnivåerna, och dagens tillkännagivande är en seger för alla dem som har kämpat mot det."
Hennes föregångare David Cameron målade sig in i ett hörn över frågan i upptakten till valet 2010, när han sade att han aldrig skulle expandera Heathrow om han blev statsminister.
Ministrarna har fortfarande tre alternativ: en tredje bana vid Heathrow, en andra vid Gatwick, eller en tredje plan som skulle fördubbla längden på en av Heathrows befintliga landningsbanor.
Denna senaste, miljon-pound forskning finansierades av Natural Environment Research Council och tillsammans med Cambridge, experter från universiteten i Manchester och Hertfordshire, Imperial College London, CERC Limited och National Physical Laboratory var inblandade.
Heathrow hjälpte dem att sätta upp sensorerna och British Airways tillhandahöll vissa flygdata, men varken lämnade över några pengar eller var inblandade i själva arbetet.
I december förra året sade regeringen till BBC att det måste försvinna och dubbelkolla några saker innan man fattar ett beslut, och hävdade att det var "med förbehåll för ytterligare överväganden om miljöpåverkan och bästa möjliga begränsningsåtgärder".
Jag har frågat, men de kommer inte att berätta vad de har kollat i nära ett år. Och jag är inte den enda.
Ravi Govindia, ledare för Wandsworth Council, sade till BBC: "Vi har upprepade gånger bett om information om regeringens senaste undersökning av flygplatsexpansion, men de verkar vara verksamma i hemlighet.
"Vår oro är att Heathrow konsulteras om detta arbete medan samhällen som omger flygplatsen hålls i mörker. År av detaljerad analys har visat att utbyggnaden av denna flygplats är olaglig och omöjlig att leverera."
Mr Govindia, och massor av andra motståndare, hävdar att det finns en hel del goda skäl att biffa Heathrow planen. Denna studie koncentrerades på NO2, men det finns massor av andra oväsen i luften, sedan finns det buller, lokala trafikstockningar, kostnader för skattebetalarna från att bygga om vägarna, eventuella flygpriser stiger för att betala för allt, och så vidare och så vidare.
Även om regeringen fattar ett "snabbt" beslut är det bara början på det. Labour stödde Heathrows expansion 2008, men planen övergavs av den tillträdande koalitionsregeringen.
Vilken plan de än väljer kommer att möta högt, argt motstånd.
Under tiden i Montreal, flygindustrin är på väg mot vad som skulle vara en historisk första global affär för att stävja växthusgaser. Internationella civila luftfartsmyndigheten uppmanas att för första gången komma överens om att ökningen av utsläppen från flygplan till största delen begränsas från 2020.
Flygplan skulle göras effektivare och eventuella extra utsläpp skulle uppvägas av t.ex. planteringsträd. Vetenskapsmän välkomnar det faktum att industrin kommer att möta mål, men säger att de inte är tillräckligt tuffa.
Ny, oberoende forskning som BBC sett tyder på att Heathrow flygplats skulle kunna bygga en ny bana utan att bryta mot EU:s föroreningslagar.