En Uppsala, Scheele conoció al químico suizo Torbern Bergman (1735–84), quien, impresionado por su trabajo, le sugirió líneas de investigación y le animó a publicar sus resultados. En 1775 fue elegido miembro de la Real Academia de Ciencias Sueca, un extraordinario logro para un hombre de su modesta condición profesional. Ese mismo año se hizo cargo de una farmacia en la pequeña localidad de Köping, en Västmanland, donde permaneció hasta el final de su vida, a pesar de las tentadoras ofertas de las universidades de Alemania. Se dedicó a la investigación química. Murió el 21 de mayo de 1786 a la temprana edad de 43 años, ya que su salud se resintió de la exposición a sustancias químicas tóxicas.
Parece que Scheele experimentó con sustancias a su disposición de una manera relativamente indiscriminada y a pesar de ello descubrió y aisló muchos elementos y compuestos por primera vez. El descubrimiento más importante fue el aire de fuego
debido a su capacidad para favorecer la combustión. Demostró que el aire es una mezcla de gases, mediante experimentos en los que eliminaba el oxígeno para dejar sólo el aire bruto
y demostró que el oxígeno participa en la respiración de las plantas y los peces. También logró obtener oxígeno químicamente por varios métodos.
Redactó sus resultados en 1773, aunque su libro Tratado químico sobre aire y fuego no fue publicado hasta 1777 (debido a que Torbern Bergman tardó mucho tiempo en escribir su prólogo). En consecuencia a Scheele se le adelantó descubrimiento
de oxígeno poco después de completar sus experimentos en 1774.
Otros descubrimientos importantes de Scheele fueron el cloro, aunque él creyó que era un