Dès son arrivée à l'École normale, il cherche à déterminer les propriétés du silicium, du magnésium et de l'aluminium.
Pour produire de l'aluminium, il reprend les expériences de Friedrich Wöhler, ce dernier n'ayant réussi qu'à produire quelques paillettes d'aluminium au milieu de nombreuses impuretés. Pour réduire l'oxyde d'aluminium, à la différence de Wöhler, il remplace le potassium par du sodium. Il réussit à produire les premiers lingots d'aluminium. La production chimique de l'aluminium est née. En 1854, il fait une première communication sur ce sujet à l'Académie des sciences.
En 1859, il publie un ouvrage sur l'aluminium où il prévoit l'utilisation future de ce métal : « L'aluminium est susceptible de devenir un métal usuel ». Parmi d'autres propriétés, il détermine sa conductibilité électrique : « La détermination de la conductibilité électrique a été faite au moyen de l'appareil de M. Wheatstone, en cherchant quelles étaient les dimensions d'un fil de clavecin et d'un fil d'aluminium qui opposaient au passage de l'électricité la même résistance électrique. »
(Liste non exhaustive)
Ce sont les travaux de Deville qui donneront l'idée à Jules Verne d'un obus creux suffisamment léger mais également résistant pour pouvoir être tiré par un canon directement sur la lune.
Vous savez qu'un illustre chimiste français, Henri Sainte-Claire Deville, est parvenu, en 1854, à obtenir l'aluminium en masse compacte. Or, ce précieux métal a la blancheur de l'argent, l'inaltérabilité de l'or, la ténacité du fer, la fusibilité du cuivre et la légèreté du verre; il se travaille facilement, il est extrêmement répandu dans la nature, puisque l'alumine forme la base de la plupart des roches, il est trois fois plus léger que le fer, et il semble avoir été créé tout exprès pour nous fournir la matière de notre projectile! (De la terre à la lune).
En 1885, la rue Sainte-Claire-Deville dans le 12e arrondissement de Paris prend son nom en hommage.