Közéleti munkássága mellett Franklin a természettudományok terén is maradandót alkotott. Jelentős felfedezések fűződnek nevéhez. Sokat foglalkozott az elektromosság kérdésével. Az általa feltalált villámhárító a tetőn elhelyezett rúd volt, s ettől egy huzal vezetett a fal mellett elhelyezett földelőhöz. Saját életét kockáztatta híres sárkánykísérletével, hogy a villám elektromos természetét bebizonyítsa. A villám és az elektromos szikra azonosságát ezzel a kísérlettel igazolta.
Franklin vezetett be számos fogalmat, amelyet ma is használnak az elektromosság leírásában (pozitív, negatív, vezető, áramforrás). Tőle származik a leydeni palack működésének első magyarázata. 1750-ben készítette a leydeni palack mintájára a Franklin-táblát, lényegében az első lemezes kondenzátort. A bifokális szemüveglencse feltalálása is az ő nevéhez kötődik.

Légi és tengeri jelenségekről, a hajóépítésről, a kályhák és kandallók helyes készítése módjáról s számtalan más tárgyról is fennmaradtak írásai. Ötletes kísérleteket és gépeket talált ki és Angliába Peter Collinshoz küldött személyes levelekben írta le azokat. A leveleket 1751-ben összegyűjtve Experiments and Observations on Electricity Made at Philadelphia in America (Elektromosságtani kísérletek és megfigyelések, amelyeket Philadelphiában végeztek) címmel adták ki. Megjelent francia (1752), német (1758) és olasz (1774) fordítása is.
Számos tudományos társaság és akadémia (a londoni Royal Society, a párizsi Academie Royale de la Science) figyelt fel Franklin tudományos érdemeire, és elismerésképpen tagjainak sorába választotta, több egyetem pedig díszdoktorává avatta.

Üveggömbökből készült hangszerrel is kísérletezett. Franklin a hangszer elkészültekor ezt írta egyik barátjának, a turini Beccaria professzornak: „Talán némi örömet tudok szerezni önnek, hiszen hazája a zene országa. 32 üveg félgömb felhasználásával új hangszert készítettem. Úgy érzem, valamicskével gazdagítottam ezzel a legbűbájosabb tudományt, a muzsikát, amelynek mindannyian rabjai vagyunk. Hangszerem szava édes a fülnek, egyaránt zeng halkan és erősen, s ha egyszer behangoltuk, megtartja pontosságát. Az ön országának tiszteletére olasz nevet adtam találmányomnak, úgy hívják: armonica.” Az üvegharmonikán nagy nyilvánosság előtt először a bécsi udvarban játszott Mária Terézia és József trónörökös jelenlétében Marianna Davies művésznő. Mozart is komponált zenét erre a hangszerre.