1746年1月，荷兰物理学家彼德·范·米欣布鲁克和他的同事们在莱顿大学实验室中发明了世界上第一个蓄电器——著名的莱顿电瓶。这在电学史上是一个具有划时代意义的发明，把科学界对电的研究又大大地推进了一步。然而在当时，人们对于电的认识毕竟还很有限，欧洲科学家们仅仅将电区分为玻璃电和松脂电两类（丝绸与玻璃相摩擦而产生的电叫做玻璃电，毛或皮与松脂相摩擦产生的电叫做松脂电），并在实验中得出了所有物体都带电的结论，未通电的物体带有正常或者平衡的电量，通电的物体含电量多于或少于常量。
同一年的夏季，苏格兰的斯彭斯博士在波士顿做了一次电学实验“表演”。当着众多观看者的面，斯彭斯博士像个魔术师似的拿起一根玻璃棒，在一块羊皮上摩擦了一会儿，然后将玻璃棒拿到一小堆碎纸屑上边，他仅仅是用玻璃棒接近纸屑，而并不挨到纸屑，纸屑就像受到了魔力的吸引，纷纷“跳”到玻璃棒上，并且牢牢地粘在上面。
博士的“表演”令在场的观众惊叹不已，大家都觉得它比魔术表演还精彩有趣。当时，前往波士顿探望母亲的富兰克林恰巧观看了这场“表演”，他被这神奇的“魔术”迷住了。在此之前，他对电的了解甚少，不过是听说过物体可以通过摩擦生电，从而吸引较轻的物体，而其中的奥妙，他却并不知晓，也无从探究。今天，他亲眼目睹了博士的演示，使他对电有了直观的认识，同时，也勾起了他的好奇心。
一回到费城家中，富兰克林便投入了电学实验。他首先请朋友从欧洲给他寄来一套电学实验仪器，又把家中的瓶瓶罐罐加以利用，建起家庭电学实验室。他详细阅读了他能借到的有关电学的书籍，四处收集电学信息，他还和“共读会”成员一起设计并制造了一台机器，把一个球体固定在一个铁轴上，轴的一端有一个小手柄，摇动手柄，球就会像磨刀石一样转动起来。用它来代替人工摩擦生电，又省力又方便。就这样，富兰克林开始了在电学领域中的辛勤耕耘。几个月后，他便取得了可喜的进展。他在写给朋友的信中，细致地描述了他所观察到的新奇而特殊的电学现象，提出了电流纯一的观念，用术语阳性电、阴性电或正电、负电来代替玻璃电、松脂电的称谓。他不断实验，不断提出新的理论，又不断推翻、订正它们。富兰克林的朋友们都对他这种一丝不苟、孜孜以求的科学态度钦佩不已。
正当富兰克林对电学的兴趣日益浓厚，对电学的研究逐渐深入之时，社会公益事业也越来越多地占去他的时间和精力，再加上印刷所和报纸的业务，富兰克林每天都十分繁忙，他渴望能有更多的时间进行他的电学研究，但公益事业也是他难以割舍的社会活动。于是，1748年秋，富兰克林转让了他的印刷所和报纸，毅然退出商界，全心全意致力于电学实验和公益事业。
这一年的整个冬季，富兰克林埋头于对莱顿电瓶的观察和研究，并有了惊人的发现。他首次发现了玻璃的绝缘作用，并用玻璃及其他材料制造了世界上第一个电池组。它是由11块普通玻璃制成的，每块玻璃的两面都粘有薄铅片；玻璃块按照间隔两英寸的距离竖直安放，用丝带固定住，并用链子将正面和反面连接起来；两旁各装上一个用粗铅丝制作的钩子，通上电以后，就成了电池组。
炎热的夏季来临了，因为高温潮湿的天气不适于做电学实验，朋友们奉劝富兰克林将实验暂时告一段落。富兰克林虽然接受了朋友们的劝告，但是不能进行电学实验使他心里有些懊恼。
夏季结束了，富兰克林的实验又开始了，这时，他把实验的重点放在电与闪电的比较上。他在详细比较二者的基本特征后，指出它们在如下12个方面的相同之处：1.发光。2.光的颜色。3.方向弯曲。4.移动迅速。5.由金属传导。6.爆开时有噼啪声或者杂响。7.在水中或者冰里可以维持下来。8.劈开其通过的物体。9.毙杀动物。10.融化金属。11.引着易燃物质。12.硫磺味道。从而推导出电流与闪电具有相同的性质，它们应属同一物质的结论。富兰克林同时还发现电流有受尖头吸引的特征，并为这一奇异现象惊叹不已。随即他便联想到：“房屋、船只，甚至塔楼和教堂能够依靠尖头有效地得到保护，免遭雷击……”在这封写给朋友的信中，富兰克林提出了关于避雷针的最早方案。
这一时期，富兰克林通过朋友向英国皇家学会提交了两篇论文，《对于导电物质的性质与效应的见解和推测》和《在美国费城所进行的关于电的实验与观测》。两篇论文遭遇了同样的结果，权威们对此不屑一顾，认为它们属无稽之谈。但这丝毫没有动摇富兰克林想要揭开雷电之谜、让真理造福人类的决心，即使在经历了那次危险的实验之后，他也没有改变自己的计划。
那是圣诞节的前两天，富兰克林正在家中进行着实验，不小心他被电流击中了，一道耀眼的电光闪过，同时伴有锐利的一响，富兰克林大叫一声，当场失去了知觉。妻子黛博拉闻声跑来，看到丈夫倒在实验桌旁的地上，身体剧烈地抽搐，她吓得面色惨白，两腿一软，也倒在地上。好在过了一会儿，富兰克林苏醒过来，他扶起妻子，关切地问她怎么了。
黛博拉流着泪说：“不是我，而是你怎么了。我听到一声像手枪射击的声音，跑进来看见你倒在地上，就吓坏了，我以为你……”黛博拉说不下去了，她伏在丈夫的肩上抽泣起来。
富兰克林安慰妻子说：“没事，没事，一切都过去了，我这不是好好的吗？”他又回忆着刚才的一幕说：“我当时只感到从头到脚受到猛烈的一击，随即就什么都不知道了。待我有了知觉以后，我感到身体在急促地抖动。当我看到你的时候，抖动也消失了，一切都正常了。”为了不让妻子替他担心，富兰克林故作轻松地用手拍了拍胸脯，给妻子一个若无其事的笑容。其实，他的另一只手此时还毫无知觉，像死掉了一样；而且，他的双臂和后颈有一种麻木感，这种感觉一直持续到第二天早上才消失。
富兰克林决定自己来证明闪电就是电的推论。他选择了费城一座正在建造中的尖顶教堂为实验场地，设想在教堂的顶部竖起一根铁棍，在雷雨天里，当带着闪电的云低空经过时，铁棍会把电从云中引下来。在等待教堂竣工的日子里，富兰克林每次从教堂旁边的广场上经过时都要停下来看看进展的情况。一天，他又从广场走过时，看到几个孩子正在放风筝，高高飘扬的风筝直入云端。富兰克林灵光一闪：对了，何不借助风筝引闪电呢，它一定比塔尖更接近云层。于是，富兰克林便与他的儿子威廉进行了那次著名的风筝实验。几乎与此同时，法国、英格兰和比利时等国的科学家们根据富兰克林的理论分别进行了雷电实验，法国国王还亲自观看了法国实验科学大师德·洛先生的实验，国王对引取雷电的实验很感兴趣，他把它称做“费城实验”。“闪电就是电”得到了多次证明，这使身在北美的富兰克林名满欧洲。
既然雷电可以从天空中引导下来，那么就有可能被直接导入地下，使建筑物免遭雷击。基于这样的推论，富兰克林又着手设计避雷针。他在铁匠铺里打制了一根3米多长的细铁棒，顶端做成尖尖的，他把它安在自家房屋的烟囱上；铁棒的末梢接上金属线，将线沿着楼梯引到屋子里，然后通入地下。他把经过他卧室对面楼梯的金属线切断，两头各系一只小铃铛，并在铃铛之间悬起一只小铜球。
一天夜里，富兰克林被一阵噼啪声惊醒了，他跳起来冲出门去，看见一道道白色的电光将门口的楼梯照得通明，如白昼一般，在电光中，他还看到那只小铜球在两只铃铛中间摇摆不定，像是受到了铃铛的排斥。随着一个霹雳砸落在房屋顶上，铃铛爆发出响亮的噼啪声，同时放射出耀眼的白光。
全家人都被吵醒了，妻子、儿子和女儿全都惊慌失措的跑出来，小女儿更是被吓得哭着喊着找妈妈。黛博拉将小女儿搂在怀里，一边抚慰着她，一边问富兰克林说：“到底发生了什么事？我们有危险吗？”眼睛里一半是惊恐，一半是困惑。
富兰克林神态自若地宽慰着全家人，说：“一切正常，不要担心。刚才只是雷电击中了我们的房子，房子上的铁棒救了我们，使我们避免了雷击的危险。现在，我们大家都回到床上继续睡觉吧。”
几天以后，富兰克林在报纸上详尽介绍了他设计的避雷针及其功用，并制作了许多避雷针分送给亲朋邻里。实践证明了避雷针在雷雨天里可确保房屋安然无恙，而没装避雷针的建筑很容易遭雷击失火。避雷针很快被推广开来，1762年传入英国，1769年又被德国引进，到1784年，整个欧洲大陆的高层建筑物上都竖起了一根根金属杆，他们管它叫做“富兰克林棒”。
