Оба с увлечением предавались не только «науке страсти нежной», но и естественным наукам, а также метафизическим размышлениям и библейской критике. Они часами работали в собственной лаборатории и посылали отчеты о своих опытах в Париж, в королевскую Академию. Сотрудничество Вольтера и мадам дю Шатле продолжалось и после окончания их любовной истории.
Продолжая плодотворно трудиться как драматург и поэт, Вольтер приступает к серьезной разработке философских проблем. Первым, предварительным и не публиковавшимся при жизни Вольтера сводом его философской мысли явился «Метафизический трактат» (1734). В опубликованных «Замечаниях на «Мысли Паскаля» (1734, 1743) и двух поэмах — «Светский человек» (1736) и «Рассуждение о человеке» (1737) Вольтер предлагает новое философское осмысление проблемы человека. В «Основах философии Ньютона» (1738) Вольтер излагает одновременно свои философские и естественнонаучные взгляды.
В этот период он серьезно занимается исследовательской работой в области физики, его «Опыт о природе и распространении огня» был удостоен почетного отзыва Академии наук. Философия как антитеза теологии и метафизики превращается в теоретическое знамя борьбы со «старым порядком», становится мировоззренческой основой всех вольтеровских произведений. Любой из рассматриваемых вопросов Вольтер стремится осветить «светильником философии». Это приводит к целому ряду новшеств в понимании природы, человека, общества и всемирной истории.
В 1745–1746 годах он опубликовал первые фрагментарные результаты своего нового труда. Первое, впоследствии значительно расширенное, издание «Опыта о всеобщей истории и о нравах и духе народов» в трех томах было предпринято Вольтером в 1756 году. В августе 1736 года Вольтер получил исполненное преклонения перед его трудами письмо из Берлина от наследного принца Пруссии. Открывшаяся этим письмом многолетняя переписка стимулировала формирование у Вольтера убеждения в том, что он в качестве философа может и обязан давать правителям благодетельные для них и для их народов советы. Он пишет рекомендацию «Наследному принцу Пруссии о пользе знаний для государя» (1736). Это не только поднимало престиж будущего властителя Пруссии, но вместе с тем способствовало и росту авторитета самого Вольтера.
Когда в 1740 году304 вольтеровский корреспондент был коронован под именем Фридриха II, доверительные отношения с ним Вольтера заинтересовали французское правительство. Оно обратилось к Вольтеру с просьбой помочь выяснить внешнеполитические планы Фридриха II, который являлся союзником Франции в войне за «австрийское наследство. Это Вольтер воспринял как первый знак того, что и на родине власти готовы прислушаться к его мнению, и он не без успеха выполнил деликатную дипломатическую миссию.
После этого, благодаря усилению влияния при дворе его высокопоставленных друзей и расположению к нему как к драматургу любовницы короля маркизы де Помпадур, Вольтер получает возможность не только вернуться в Париж, но и бывать в Версале он назначается камергером и придворным историографом.