Chân dung nhà hoá học Carl Wilhelm Scheele

Năm 1765, nhà máy Bauch giải thể và Scheele chuyển đến làm ở Malmö.

Năm 1768, Scheele chuyển đến Stockholm và vẫn làm việc về y dược. Tại đây, Scheele đã có khám phá đầu tiên của mình khi tách được axit tartaric [C ₄H ₆O ₆] từ hỗn hợp cặn rượu. Anh đã gửi công trình này cho T.O. Bergman - nhà hóa học hàng đầu của Thụy Điển thời bấy giờ, nhưng Bergman đã không mấy chú ý đến nó. Năm 1770, thông qua  giáo sư giải phẫu A.J. Retzius, kết quả nghiên cứu của Scheele mới được xuất bản.

Cùng năm 1770, Scheele dời Stockholm, chuyển đến Uppsala và làm quen được với Bergman. Quan hệ giữa hai người phát triển rất tốt, người ta vẫn kể rằng, Scheele có lẽ là phát minh lớn nhất của Bergman. 

Ngày 4/3/1775, Scheele được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia. Vinh dự lớn này trước đây chưa bao giờ được dành cho một học sinh y dược cả.  Cũng trong năm đó, Carl Scheele chuyển đến Köping, một miền đất nhỏ ở hồ Malar. Ở đây, ông làm việc ở vị trí của một người quản lý y dược. Lúc này, Scheele nhận được nhiều lời mời cho những vị trí công việc tốt hơn từ khắp nơi trên đất nước Thụy Điển. Thị trấn Köping vì muốn giữ chân Scheele nên đã giao cho ông sở hữu riêng một cơ sở về y dược. Người ta kể lại rằng, Scheele đã ở lại Köping nhưng thực ra ông lại giành chủ yếu thời gian của mình để theo đuổi sự nghiệp khoa học.

Ít có nhà hóa học nào lại khám phá ra nhiều chất mới và đơn giản như Scheele. Năm 1774, khi nung nóng mangan dioxide (MnO ₂) với axit chlohydric (HCl), ông đã tìm ra khí chlorine (khí clo). Việc khảo sát tính chất của chlorine gắn liền với một câu chuyện về lòng dũng cảm của nhà hóa học. Nhận thức được tính độc hại của loại khí này, Scheele đã dặn người phụ tá của mình phải cẩn thận tránh ra xa, còn bản thân ông thì vẫn bất chấp nguy hiểm để làm thí nghiệm với nó.  Người ta đã ghi nhận công lao của Scheele trong việc khám phá ra bảy nguyên tố là N, O, Cl, Mn, Mo, Ba, và W (thực ra vào thời đó, cả Scheele và Priestley vẫn chưa nhận ra oxygen là một nguyên tố hóa học), và cũng như "khí lửa", trong nhiều trường hợp, ông đã phải chia sẻ những khám phá này với người khác vì những kết quả nghiên cứu của ông thường chậm được xuất bản. 

Thiên tài thực nghiệm của Scheele phải nói cực kỳ hiếm có. Trong một điều kiện ăn ở không tốt, các thiết bị thí nghiệm thì sơ khai, và nền khoa học lý hóa thời bấy giờ lại kém phát triển, vậy mà Scheele vẫn có thể làm nên những phát minh lớn. Tài năng của Scheele chính là tố chất tự nhiên được phát triển qua một quá trình làm việc liên tục và sự tập trung không biết mệt mỏi. Tìm hiểu các công trình của Scheele, người ta thấy rằng các phát minh của ông không hề lộn xộn mà cực kỳ có hệ thống, đó là kết quả của những thí nghiệm cẩn thận, được sắp đặt để xác minh những nhận định đã được vạch ra từ trước. Công lao trong việc khám phá ra những chất mới của ông có lẽ là ít ai sánh được. Sau sự phát minh ra chlorine và các hợp chất barium, Scheele cũng đã mô tả các muối khác nhau của mangan, bao gồm các manganate và các permanganate, giải thích tác động của nguyên tố này trong hiện tượng tạo màu và làm phai màu thủy tinh.

Năm 1775, ông khảo sát axit arsenic và các phản ứng của nó, tìm ra "màu xanh Scheele", một công trình quy mô lớn xuất bản năm 1778. "Màu xanh Scheele" chính là hợp chất đồng arsenite (CuHAsO ₃), một màu xanh lá cây nổi tiếng đã từng được sử dụng trong các kỹ thuật pha chế. Một nửa thế kỷ sau đó, người ta mới biết đồng arsenite là một chất độc. Có ý kiến cho rằng, sự tồn tại của loại phẩm màu này trong bức tranh treo ở phòng ngủ của Napoleon có lẽ đã là một nhân tố dẫn đến cái chết của vị hoàng đế.

Các công trình xuất bản năm 1776 liên quan đến thạch anh, phèn và đất sét. Khi phân tích các giải phẫu bàng quang, lần đầu tiên ông đã tìm ra axit uric [C ₅H ₄N ₄O ₃]. Năm 1778, ông đã đề xuất một phương pháp mới điều chế calomel và bột algaroth (antimonious oxychloride - SbOCl). Ông đã thu được axit molybdic từ một khoáng vật của molybdenum (Mo) mà ông đã cẩn thận tách ra từ quặng molybdena thông thường (tên thương mại là plumbago hay chì đen). Trong những năm tiếp theo, Scheele đã chỉ ra rằng plumbago chứa chủ yếu là carbon. Ông cũng xuất bản một nghiên cứu ước tính tỷ lệ oxygen trong khí quyển, công trình này đã được ông thực hiện trong suốt năm 1778, trước Henry Cavendish ba năm. Năm 1780, Scheele chứng minh rằng, tính axit của sữa chua chính là do một chất mà sau này được gọi là axit lactic [C ₃H ₆O ₃]. Đường sữa (lactose-C ₁₂H ₂₂O ₁₁) cũng là do Scheele tìm ra và khi đun sôi chất đường này với axit nitric, ông đã thu được axit mucic.

Phát minh tiếp theo của Scheele ra đời năm 1781, đó là kết quả phân tích thành phần khoáng vật của tungsten (Wolfram - W) - về sau khoáng vật này được lấy tên là scheelite (calcium tungstate), và cũng từ nó ông đã thu được axit tungstic. Năm 1772, Scheele công bố một số thí nghiệm tổng hợp ether, và năm 1773, khảo sát các tính chất của glycerine [C ₃H ₈O ₃],  - một hợp chất mà ông đã phát minh ra từ bảy năm trước đó. Cũng vào thời gian đó, bằng một loạt các thí nghiệm thú vị, ông đã chỉ ra rằng, không thể tạo ra màu xanh Prussian (xanh Phổ) mà không cần đến sự tồn tại của một chất có bản chất là axit, và từ đó chất này được gọi là axit prussic (axit cyanhydric, thu được khi cho hydrogen cyanide-HCN tan vào nước). Scheele còn mô tả thành phần, tính chất và các hợp chất tạo nên loại màu Prussian cũng như phân lập được axit prussic, thậm chí vì chưa biết đầy đủ về tính độc hại của hợp chất này, ông còn nếm thử để xác định mùi vị của nó. HCN cũng như các muối của nó đều là những hợp chất rất nổi tiếng, chúng thuộc vào hàng những hợp chất vô cùng cùng độc (HCN cũng là chất độc có trong sắn củ). Vì chỉ cỡ một mg HCN cũng có khả năng làm chết người nên chất này thường được các điệp viên dùng để tự sát nhanh khi cần thiết. Nhiều người vẫn tin rằng, có lẽ cái chết của Scheele là do nhiễm độc HCN, một hợp chất mà chính ông là người đầu tiên tạo ra.    

Trong những năm cuối đời, Scheele chuyển sang nghiên cứu các acid thực vật, ông đã phân lập khảo sát hàng loạt những hợp chất nổi tiếng như axit citric [C ₆H ₈O ₇] (axit chanh), axit malic [COOH·CH ₂·CHOH·COOH] (axit có trong các loại quả còn xanh), axit oxalic  [HOOCCOOH·2H ₂O] (một axit độc có trong nhiều loại cây) , và axit gallic [C ₇H ₆O ₅] (điều chế từ chất tannin của cây, được sử dụng để sản xuất mực in). Nhiều phát minh quan trọng của Scheele đã trở thành những nền tảng quyết định cho sự phát triển mạnh mẽ của nền hóa học hữu cơ một nửa thế kỷ sau đó.

Lại nói về cuốn sách duy nhất của ông, về Không khí và Lửa,xuất bản năm 1777, mặc dù nó đã được viết từ vài năm trước đó. Bản thảo được gửi cho nhà in từ năm 1777, và hầu hết các kết quả nghiên cứu được hoàn thành từ trước 1773. Mặc dù được xuất phát từ cơ sở không đúng của lý thuyết về sự cháy hồi đó, nhưng cuốn sách của Scheele vẫn chứa đựng những giá trị vĩnh cửu và căn bản. Một trong những quan sát quan trọng nhất được ghi lại hồi đó là không khí bao gồm hai loại khí, loại thứ nhất duy trì sự cháy và loại thứ hai chống lại sự cháy. Loại khí thứ nhất chính là "khí lửa", hay oxygen. Năm 1777, một cách ngẫu nhiên, Scheele đã điều chế ra sulphur hydrogen [H ₂S] và lần đầu tiên mô tả tác động hóa học của ánh sáng đối với các hợp chất của bạc. Có thể nói không quá lời rằng, chính Scheele là người mở ra lĩnh vực nghiên cứu quang hóa, một lĩnh vực không chỉ làm cơ sở cho các kỹ thuật phim ảnh mà còn mang lại nhiều ứng dụng khác cho cuộc sống con người.

Carl Wilhelm Scheele mất ngày 26/5/1786 ở tuổi 43. Hai ngày trước khi qua đời, Scheele đã làm lễ cưới với một góa phụ tên là Pohls để người phụ nữ này có thể thừa kế xưởng dược của ông.  Sau khi Scheele mất, người ta vẫn còn biết rất ít về cuộc đời ngắn ngủi của ông, về cuộc sống nghèo khó và về sự vật lộn với bệnh tật của ông.