Nel 1784, su suggerimento del cristallografo Jean-Baptiste Romé de L'Isle, Pelletier produsse cristalli di sale fortemente solubili a lenta evaporazione e inoculazione. Un anno dopo, confermò la scoperta di Carl Scheele, che il cloro può essere prodotto da acido cloridrico e manganese. Come Claude Louis Berthollet, Pelletier arrivò alla falsa conclusione che il gas risultante fosse una combinazione di acido cloridrico e ossigeno. Aderente alla teoria del flogisto di Carl Wilhelm Scheele, Pelletier seguì gli approcci più moderni di Lavoisier solo dopo il 1787. Dal 1785 al 1792 studiò il fosforo.