Первое значимое исследование Бунзена (опубликованное в 1843 году) было посвящено свойствам мышьяковистой кислоты. Он обнаружил, что свежеосаждённый гидроксид железа(III) является эффективным антидотом отравления мышьяком. В 1835-36 годах Бунзен выделил и изучил несколько до его работ неизвестных (и проявляющих высокую токсичность) цианидсодержащих соединений. В период между 1837 и 1843 годами он исследовал семейство мышьякорганических соединений, который одновременно были и токсичными, и огнеопасными. Это были производные какодила — вещества, получившего название благодаря греческому слову, означающему «вонь» — состав и строение этих соединений, впервые полученных в 1760 году Луи Клодом Каде де Гассикуром, до работ Бунзена было неизвестно. Работы Бунзена показали, что всё это «вонючее семейство» было производным одного соединения, которое сейчас нам известно как тетраметилдиарсин — (CH3)2As-As(CH3)2.
Бунзен описал свойства мышьякорганических соединений точно и ярко:
К сожалению, здоровью самого Бунзена вред был нанесён. В 1843 году в результате несчастного случая в лаборатории Бунзен подвергся воздействию цианида какодила, временно потерял зрение на правый глаз и отравился настолько сильно, что врачи даже сомневались — сможет ли он выкарабкаться. Несмотря на то, что жизнь Бунзена висела на волоске, он поправился и, более того, продолжил работу с веществами, чуть не угробившими его, доведя исследование до конца.
Исследовательский проект в области химической технологии, которым Бунзен занимался с 1838 по 1846 год, также заставил исследователя рисковать здоровьем. Анализируя топочные газы печей (а в состав этих топочных газов входили угарный газ и дициан N=C–C=N), Бунзен надышался ими, потерял сознание, но, к счастью, коллега оттащил Бунзена в безопасное место. Исследования Бунзена показали, что коэффициент полезного действия немецких литейных печей, работавших на каменном угле, составлял всего 50 %, остальное топливо либо вообще не сгорало, либо сгорало не полностью, только с образованием угарного газа. Справедливости ради, как показали более поздние исследования Бунзена, проведённые в Британии совместно с местным учёным и политиком Лайоном Плейфейром, в ряде случаев эффективность британских печей по сжиганию кокса составляла всего 20 %. Первоначально хозяева литейных производств с изрядным скептицизмом отнеслись к предложению Бунзена использовать выходящие из топки газы, содержащие горючий угарный газ, в качестве дополнительного топлива, однако со временем они оценили преимущество предложенного подхода.
Продолжая исследования в области газов, выделяющихся из печей, Бунзен значительно усовершенствовал существовавшие в то время методики анализа газов, что и сделало его идеальным кандидатом в участники направленной в 1846 году к Гекле экспедиции. В письмах матери из Исландии он ярко описывает свои приключения:
Пробив себе дорогу через клубы дыма и пепла в кратер Геклы, вулкана, который ещё за три месяца до прибытия экспедиции активно извергался, Бунзен собрал сотни образцов для анализа. Погружение термометров вглубь гейзера позволило Бунзену прийти к выводу, что при высоком давлении вода остаётся в жидком агрегатном состоянии при температуре более высокой, чем её температура кипения при нормальном атмосферном давлении.