這時富蘭克林還不到30歲，通過刻苦自修，他已經成為一個學識淵博的學者和啟蒙思想家，在北美的聲譽日益提高。
1746年，一位英國學者在波士頓利用玻璃管和萊頓瓶表演了電學實驗。富蘭克林懷著極大的興趣觀看了他的表演，並被電學這一剛剛興起的科學強烈地吸引住了。隨後富蘭克林開始了電學的研究。
通過很多試驗，富蘭克林發現電可以傳導，也就是轉移，從一個物體到另一個物體，連續不絕。他還發現，不同性質的電相接觸時，會放射火花。
在富蘭克林生活的時代，雨天發生雷電時，人們總想像天上一定有種神秘的力量支配著這一切。但富蘭克林不信，他想用科學的方法揭穿雷電的秘密。
經過反覆思考，富蘭克林斷定雷電也是一种放電現象，它和在實驗室產生的電在本質上是一樣的。於是，他寫了一篇名叫《論天空閃電和我們的電氣相同》的論文，送給了英國皇家學會。但富蘭克林的偉大設想竟遭到了許多人的嘲笑，甚至有人嗤笑他是“想把上帝和雷電分家的狂人”。
富蘭克林決心用事實來證明一切。他認為用尖端金屬杆裝在屋頂，再用鐵絲把鐵桿同地面連接起來，這樣就可以把天上的電引到地下，防止房屋遭到雷擊。他把這個建議寄給了一位法國朋友，那位法國人按照富蘭克林的方法，架設了一根40英尺高的鐵桿，在雷雨時果真把天空的閃電引到了地下。這就是富蘭克林發明的避雷針，至今它依然為全世界所使用。
在解決了這個問題以後，富蘭克林又開始思考另一個問題，即“怎樣直接接觸到天空帶電的雲層呢？”很快，他做了一次令世界為之震驚的試驗。
1752年7月，正在費城的富蘭克林，帶著他的兒子冒雨捕捉雷電。富蘭克林設計了一個大風箏，為了不讓風箏損壞，他用絲綢做原料。在風箏的頂端，富蘭克林特意裝上了長長的觸鬚一樣的鐵絲，風箏用細長的麻繩系牢。
這時雷電交加，富蘭克林高興地說：“機會來了！”於是他把風箏放飛到天空中，風箏越飛越高，肉眼幾乎看不見，這時大雨傾盆而下，一個閃電過來，一聲巨響，擊在風箏上。
富蘭克林握住風箏線的手突然感到一陣麻木，緊接著，掛在風箏線下端的銅鈴碰動起來，伴隨著陣陣聲響冒出點點火花。“成功了！成功了！”富蘭克林扔下風箏興奮地大叫起來。他冒著生命危險終於揭開了雷電之謎。
科學家為了研究自然奧秘是不惜犧牲的。以上過程雖然簡單，但對富蘭克林來說，卻僥倖之極。這是一項直接危及生命的實驗，死傷的危險性比健康安全的可能性要大得多。他的成功，徹底破除了千百年來人們對雷電的迷信，揭開了大自然的雷電之謎，把雷電和上帝分了家，因此受到人們的普遍敬仰。