Sformułował prawo minimum, nazywane obecnie prawem Liebega.
Wraz ze swoim przyjacielem Wöhlerem opracował w 1832 roku teorię rodnikówSłowo „rodnik” oznacza tu grupę funkcyjną, a nie rodniki we współczesnym znaczeniu., która wyjaśniała budowę wielu związków organicznych. Również z Wöhlerem odkrył zjawisko izomerii, to znaczy fakt, że dwie substancje mogą mieć ten sam skład chemiczny, ale różną strukturę i właściwości. W ten sposób dał podwaliny pod nową dziedzinę wiedzy: chemię organiczną.
Jego głównym celem podczas pobytu w Gießen było promowanie rolnictwa. Uważał, że chemia jest w stanie zapobiec katastrofalnym klęskom głodu. Jego osiągnięcia w tej dziedzinie zostały opublikowane w 1840 roku w dziele pt. „Die Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und Physiologie” oraz w 1842 roku w pracy pt. „Die Thierchemie, oder die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Physiologie und Pathologie”. Opublikowana w 1843 roku książka „Handbuch der Organischen Chemie – mit Rücksicht auf Pharmacie” cieszyła się wielkim zainteresowaniem nie tylko wśród naukowców, ale wszystkich wykształconych ludzi owego czasu. Zalecał w niej stosowanie nawozów mineralnych i wyjaśniał ich znaczenie dla jakości i wydajności upraw.