İlk çalışmalarını kimya alanında yaptı. 1840' da kimyevî bir bileşik olan "kakodil"i ayırırken bir gözünü kaybetti. Bundan sonra elektrokimya alanına yöneldi. 1843' de nitrik asit ile depolarizasyon pilini gerçekleştirdi.
Daha sonra madenleri ayırmak için çalışmalar yaptı. 1851' de elektroliz yöntemiyle magnezyum klorürden magnezyumu, krom klorürden kromu ayırdı (1854).
1855' den 1863' e kadar Roscoe ile beraber, "ışığın kimyevî etkisi" üzerine deneyler yaptı. 1859' da Kirchhoff ile beraber, "tayf çizgilerinin" kimyevî elementlerin ayırt edici nitelikleri olduğunu farkederek, tayf analizinin ilk yöntemlerini buldu.
1860' da yine Kirchhoff ve Bunsen, tayf çizgilerinin yer değiştirmesi deneyini gerçekleştirip, "rubidyum" ve "sezyum"u ayırmayı ve özelliklerini belirtmeyi başardılar (1861). Robert Wilhelm Bunsen, 1899' da Heidelberg'de vefat etti.
Önemli buluşları : Yağ lekeli fotometre, Bunsen havalı gaz beki, gazların akış hızını ölçen bir âlet, gazların çözünürlüğünü inceleyen bir cihaz, buzun erimesi olayına dayanan bir ısıölçer (kalorimetre), bir su trompu.
