Entre 1830 y 1842, Claudio Gay Mouret se dedicó exclusivamente a realizar investigaciones en ciencias naturales o naturalismo. Viajó de norte a sur para hacer estudios de geología, mineralogía, geografía, climatología, botánica y zoología.

De manera complementaria, estudió las especies vegetales utilizadas para la agricultura y los posibles usos de otras nuevas, en pos de generar el conocimiento necesario para el mejor desarrollo de esa actividad económica.

Todos estos conocimientos los recopiló en ocho tomos sobre botánica, otros ocho sobre zoología y dos sobre agricultura, los que en conjunto forman los diecinueve tomos -incluido el Atlas- dedicados a la descripción "física" del país de su obra mayor: Historia Física y Política de Chile.

En el prólogo del primer tomo de Botánica, Claudio Gay dio cuenta de sus conocimientos sobre las expediciones coloniales y de los primeros años de la República, los que utilizó como base para su propio trabajo. Sin embargo, consideró que estas obras no daban cuenta por completo de la diversidad del territorio, por lo que escribió: "Sentí yo el deseo de llenar semejante vacío, pues que también apetecía rendir el correspondiente tributo a esas ciencias, en cuyo cultivo encontré siempre la dicha, y el embeleso de mi vida, y por consiguiente en el año 1829 me trasladé a aquel dichoso país, entregándome sin descanso en busca de los necesarios materiales, para enseñar después cuáles son sus productos naturales, cual igualmente el estado de su climatología" (Gay, Claudio. "Prólogo". Historia Física y Política de Chile. Botánica. Tomo primero. París: En casa del autor; Chile: Museo de Historia Natural de Santiago, 1845, p. 3).

A continuación, describió la morfología natural del territorio que "cerrado en todo su contorno con barreras que los seres orgánicos no pueden saltar, claro está que su superficie forma una región enteramente natural, un verdadero espacio dentro de un inmenso y desierto arenal a la parte norte; el grande Océano Pacífico guardando los costados sur y oeste, y al este la cadena de las cordilleras, corriéndole en toda su extensión. De ahí nace el que sean exclusivamente de este país muchos de los productos naturales, y hay géneros particulares, que con todo de contar numerosas especies, allí se encuentran concentrados por no haber podido salvar las imponentes barreras que los guardan" (Gay, p. 5-6).

Respecto de su metodología de trabajo, Gay clasificó en grupos naturales específicos cada uno de sus hallazgos y recopilaciones de especies, los que catalogó con el nombre de su familia natural de origen. Con esta metodología, Claudio Gay se inscribió en los marcos de una ciencia que compartía ideas de la Ilustración y el Romanticismo en su forma de exposición, en la que entremezcló apreciaciones científicas, personales y sentimentales; y el naciente positivismo empirista del siglo XIX, basado en las matrices de la taxonomía, es decir, un método descriptivo que nombra y define para luego agrupar en familias de especies, utilizando el latín para tales efectos.

El empirismo positivista de Gay -es decir, la determinación y cuantificación del mundo a través de datos y descripción de leyes universales- resaltó en su propensión a coleccionar cada una de las especies minerales, animales y vegetales que observó, analizó y describió, como pruebas y fuentes fidedignas de sus reflexiones. En palabras de Zenobio Valdivia, "justamente, los tomos de zoología y botánica (…) dejan de manifiesto una clara descripción y ordenación de lo viviente en Chile, constituyéndose la misma en la primera gran ordenación del universo biótico del país" (Saldivia, Zenobio. "Claudio Gay: su marco epistémico y el respaldo político del gobierno de Chile". Intersticios Sociales. Número 18, México: El Colegio de Jalisco, septiembre de 2019 - febrero de 2020, p. 13-14).

Para la descripción de plantas y animales, además de utilizar las láminas y grabados del Atlas, Gay ordenó los conocimientos a través de la denominación taxonómica, descripción de las características relevantes de cada especie; nombres vernáculos o comunes utilizados por la población local; descripción minuciosa y detallada de características no observables a simple vista; y notas al pie explicativas o de contexto (Saldivia, Zenobio. La ciencia decimonónica en Chile. Santiago: Ediciones Universidad Tecnológica Metropolitana, 2004, p. 144).

En Agricultura, Gay destacó el efecto de los climas particulares de Chile, que tenían importancia directa en los diferentes productos extraídos de la tierra. Apuntó también a la labor de los agricultores, principalmente aquellos asociados desde 1838 en la Sociedad Nacional de Agricultura, que habían desempeñado un rol fundamental en la creación de jardines de aclimatación y experimentación y en la enseñanza de los métodos de cultivo, labores gremiales que, según Gay, sacaron a la agricultura nacional del retraso colonial.

Gay agregó, además, que su trabajo no se limitó solo a la agricultura de su época, sino que pensó necesario desarrollar un estudio histórico sobre la misma. En ese sentido, los dos tomos de Agricultura se dividen en una introducción histórica sobre la agricultura en Chile entre los siglos XVI y XVII, un capítulo especial sobre la misma en el siglo XVIII; apartados sobre el clima y características del territorio nacional; una división de regiones y subregiones agrícolas; características de las propiedades y los hacendados; sobre la educación agrícola; la situación de los inquilinos, sirvientes y campesinos en general; los sistemas de riegos, ríos y lagos utilizados para esos fines; las colonias extranjeras dedicadas a la agricultura; los diferentes tipos de ganados utilizados de norte a sur; caminos y ferrocarriles del país utilizados para el transporte y comercio de los productos agrícolas, entre otros.