Une fois installée au château de Cirey, en Haute-Marne, avec Voltaire à partir de 1735, elle rédige ses premiers travaux scientifiques. Elle assiste avec le philosophe à des expériences sur la propagation du feu qui conduiront à la rédaction, secrète (
voir l'article), de sa
Dissertation sur la nature et la propagation du feu écrite en 1738 pour répondre au concours lancé par l’Académie royale des sciences en 1737. Son mémoire ne gagne pas le prix mais jouira d’une grande reconnaissance puisqu’il sera peu après le premier texte publié par une femme de science dans les
Mémoires de l’Académie royale des sciences. C’est dans une proximité intellectuelle avec Maupertuis, les Bernoulli, mathématiciens suisses de renom, ou encore Leonhard Euler (1707-1783), dans la fréquentation des textes du mathématicien et philosophe Christian Wolff (1679-1754) et du physicien hollandais Willem Jacob 's Gravesande (1688-1742), qu’elle rédige puis publie anonymement en 1740 les
Institutions de physique. Une seconde édition remaniée, incluant une partie de sa correspondance avec le secrétaire perpétuel de l’Académie royale des sciences de l’époque, Jean-Jacques Dortous de Mairan (1678-1771), paraît en 1742 sous son nom. Des accusations de plagiat, lancées par le mathématicien allemand Samuel Kœnig (1712-1757), l’ont rapidement conduite à se faire connaître comme autrice de ce texte. Adressé à son fils, ce texte apparaît à première vue comme un manuel de physique destiné à présenter les fondements métaphysiques de la physique moderne. Mais Émilie du Châtelet dans cet ouvrage propose d’une part une subversion du stéréotype de genre : dans l’avant-propos, renversant le dispositif du texte à succès de Francesco Algarotti,
Le newtonianisme pour les dames (
voir l'article), elle est la femme savante qui enseigne ce qui doit être su en physique par un jeune homme (voir encadré). D’autre part au lieu d’une simple exposition des principes métaphysiques de Leibniz (1646-1716) et de la physique de Newton (1642-1727) qui entérinerait un défaut de singularité philosophique, ce texte propose une philosophie de la science originale.