В сентябре 1807 года братья уехали в Париж. Здесь Жан-Франсуа продолжил заниматься арабским, персидским, коптским, еврейским и арамейским языками. Он окончил Высшую школу восточных языков. Напряженные занятия вызвали сильнейшие невралгии и головные боли. 21 апреля 1809 года Жан-Франсуа писал брату: «Ты советуешь мне изучить Розеттскую надпись. Это именно то, что я хочу начать». Он получил полную копию Розеттской надписи от коллекционера Шарля-Филиппа де Терсана. Розеттская надпись – это надпись на стеле из гранодиорита, найденной в 1799 году в Египте возле небольшого города Розетта (теперь Рашид), недалеко от Александрии. Текст на камне представляет собой благодарственную надпись, которую в 196 году до н. э. египетские жрецы адресовали Птолемею V Эпифану, монарху из династии Птолемеев. Розеттским камень после поражения французов в Египте был в 1801 году передан англичанам и отправлен в Британский музей, но французы успели снять с него несколько копий. Надпись на Розеттском камне представляет собой три текста на трех языках, идентичные по смыслу. Два текста написаны на древнеегипетском языке, один из них – египетскими иероглифами, другой – египетским демотическим письмом, которое представляет собой сокращенную скоропись эпохи позднего Египта. Третий текст был на древнегреческом. Рассматривая демотическую часть надписи, Шампольон пришел к выводу, что она содержит некоторые знаки, вошедшие в коптский алфавит, составленный главным образом на основе греческих букв. Об уровне владения коптским языком Шампольон писал брату в марте 1809 года: «Я знаю египетский язык так же, как и французский, и на нем я воздвигну свою работу о египетских папирусах». В октябре 1809 года он вернулся в Гренобль, где стал адъюнкт-профессором древней истории в местном университете. Весной 1810 года братья Шампольон декретом императора Наполеона были удостоены докторской степени и профессорского звания. 7 августа 1810 года Жан-Франсуа прочел в Академии Дофине доклад «Письменность египтян», в котором сделал верный вывод о том, что демотика – это форма упрощенных иероглифических знаков. Он также заключил, что иероглифическая письменность должна включать как идеограммы (рисунки, соответствующие определенным идеям), так и детерминативы (идеограммы, служащие для обозначения грамматических категорий слов). Двухтомник «Египет при фараонах» Шампольон посвятил Людовику XVIII, только что вступившему на трон после оккупации Франции союзниками и отречению Наполеона, и был удостоен ордена Лилии. В ноябре 1814 года Шампольон отправил экземпляр книги «Египет при фараонах» в Лондонское королевское общество. В сопроводительном письме он писал: «Темой моей работы является исследование египетских иероглифических надписей, которые составляют лучшие экспонаты Британского музея. Я имею в виду памятник, обнаруженный в Розетте. Мои усилия по части его дешифровки, кажется, увенчались некоторым успехом, и результаты, которые полагаю, достигнуты после продолжительной и упорной работы, дают надежду на дальнейшие открытия в будущем». На самом деле Розеттский камень хранился в Лондонском обществе антикваров. Но секретарем Королевского общества по переписке с заграницей был ученый широкого профиля Томас Юнг (1773–1829), интересовавшийся древними письменностями и предоставивший Шампольону результаты своих исследований Розеттского камня. Между тем во время «Ста дней» Наполеон, проезжая Гренобль 7 марта 1815 года, сделал Жака-Жозефа личным секретарем и наградил орденом Почетного легиона. А Жан-Франсуа получил разрешение на публикацию словаря коптского языка за счет государства. В благодарность Шампольон-младший 18 июня 1815 года опубликовал верноподданную статью, в которой восхвалял Наполеона как единственного законного правителя Франции. Но после битвы под Ватерлоо и вторичного отречения Наполеона Академия отказалась печатать коптский словарь, а оба брата были лишены профессорских званий и помещены под гласный надзор полиции. В марте 1816 года они были высланы из Гренобля в родной Фижак. Летом 1816 года местный префект поручил Шампольонам найти древний галльский город Укселлодун. В ноябре 1816 года Жак-Жозеф неожиданно получил прощение, тогда как младшему брату пришлось оставаться в провинции до октября 1817 года, когда ему тоже разрешили вернуться в Гренобль. В 1818 году Жан-Франсуа был избран членом-корреспондентом Академии надписей и изящной словесности. 18 июня 1818 года он стал хранителем муниципальной библиотеки. Вскоре Шампольон-младший был назначен профессором Королевского коллежа в Гренобле, учрежденного вместо лицея. В 1819 году Т. Юнг опубликовал статью о Древнем Египте в «Британской энциклопедии», в которой указал на двойственность египетского письма, которое включало идеограммы, не связанные со звучанием слова, и буквенные знаки, передающие звуки. В 1821 году Жан-Франсуа переехал в Париж. В августе 1821 года он в докладе в Академии надписей заявил, что в средней части Розеттского камня содержатся те же знаки, что и в верхней, иероглифической, только в более курсивном виде. Шампольон предпринял частотный анализ текста, разбив его на группы знаков, предположительно образующие отдельные слова. После этого было проведено сплошное сопоставление повторяемости одинаковых демотических групп с греческим текстом, в котором подсчитывались слова, встречавшиеся равное число раз. В демотическом тексте удалось выделить имена собственные, а также сопоставить грамматическую структуру демотического и коптского языков. Однако структурный анализ не позволял читать текст. Шампольон нуждался в доказательстве наличия у древних египтян фонетических знаков. Он составил собственный фонетический алфавит и прочитал записанные демотическими знаками греческие царские имена – Александр, Птолемей, Береника, Арсиноя и 6 прочих собственных имен (в том числе Диоген и Ирина). Неожиданностью оказалось греческое слово σὑνταξις – «жалованье», также записанное фонетически демотическими знаками. Для проверки он обратился к демотическому папирусу Казати (названном по имени владельца, купившего его в Абидосе), в котором прочел, кроме перечисленных, имена Эвпатора и Клеопатры. Это сообщение вошло в статью Жака Шампольона-Фижака, опубликованную в Nouvelles annales des voyages, de la geographic et de l’histoire (т. XVI) в 1822 году.

Еще в 1819 году Жан-Франсуа установил, какой части греческой надписи Розеттского камня соответствует сохранившаяся часть иероглифической надписи, и смог указать место, отвечавшее началу сохранившейся части иероглифики, которая, по его мнению, содержала приблизительно треть первоначального текста. Проведя частотный анализ, в декабре 1821 года он убедился, что 486 греческим словам соответствуют 1419 иероглифов, то есть в египетской части надписи оказалось бы значительно больше смысловых единиц, чем слов в его греческой части, если считать каждый отдельный знак идеограммой. Учтя повторяющиеся элементы, Шампольон нашел в иероглифической части надписи 166 уникальных знаков. Он заключил, что в египетской письменности существовали фонетические знаки для передачи иностранных слов и имен собственных. В демотических же текстах фонетические знаки встречались не только в словах иностранного происхождения. В самом конце 1821 года Шампольон предположил, что собственные имена греческих правителей Египта в иероглифической надписи Розеттского камня должны быть написаны с помощью тех иероглифов, которые являются прообразами алфавитных знаков. Также было известно, что имена правителей в иероглифических текстах заключались в картуши – продолговатые закругленные контуры (овалы) с горизонтальной линией внизу (при вертикальном расположении) или сбоку (при горизонтальном расположении). Структурный анализ показал, что в уцелевшей части иероглифического текста осталось только имя Птолемея. В январе 1822 года Шампольон получил литографию текста Лондонского обелиска – памятника древнеегипетской культуры, обелиска из розового гранита с острова Филы. Это обелиск вместе с другим похожим на него были найдены в 1815 году и вскоре куплены английским путешественником египтологом Уильямом Джоном Бэнксом. Надпись на обелиске с острова Филы относится 118–117 годам до н. э. и содержит прошение жрецов храма богини Исиды на острове Филы снизить налагаемое на них бремя расходов на церемониальные приемы военных и благосклонный ответ на это прошение со стороны Птолемея VIII Эвергета II и двух его цариц, Клеопатры II и Клеопатры III. Шампольон-младший к тому времени научился различать мужские и женские имена в картушах (по двум знакам, стоящим в конце) и предположил, что парное имя на обелиске может обозначать Птолемея и Клеопатру. Если бы удалось доказать регулярное повторение иероглифических знаков, это явилось бы доказательством фонетического характера древнеегипетской письменности. Шампольон сопоставил демотическое написание имен Птолемея в Розеттской надписи и имя Клеопатры в папирусе Казати, обнаружив, что знаки, которые встречались в демотической записи, употребляются и в других местах с одинаковым фонетическим значением. Далее надо было по разработанному методу восстановить иероглифические эквиваленты для демотических знаков. На литографии Лондонского обелиска Шампольон опознал иероглифические имена Птолемея и Клеопатры, причем второе он восстановил теоретически. Это доказало правильность его гипотезы. Шампольон определил 12 иероглифических знаков, соответствующих десяти буквам греческого алфавита. Дальнейший анализ имен Александра и Береники дал искомый иероглифический алфавит, соответствующий 19 греческим буквам, предлогу и придыханиям, – всего около 60 фонетических знаков. С помощью этого алфавита были прочитаны титулы «Цезарь» и «автократор», часто встречающиеся в египетских текстах греко-римской эпохи.

14 сентября 1822 года Шампольон получил настоящий ключ к дешифровке. В этот день он получил зарисовки из Абу-Симбела, сделанные его приятелем. Увидев на рисунке имя фараона в картуше, он попытался прочитать его при помощи уже отождествленных знаков и понял, что может понять имя фараона, не относящегося к греко-римской эпохе. Это было имя Рамзеса II Великого. Уже известные знаки читались как mss, начальный знак солнца Шампольон счел обозначением звука r, поскольку по-коптски Солнце звучит как «Рэ». На другой картинке с картушем были те же знаки, что и в имени Рамзеса. Первый знак, значение которого было неизвестно, – изображал ибиса, чье имя в греческих источниках передавалось как Thoth. Ту же форму оно имело и в коптском языке. Шампольон счел, что первый знак является детерминативом, прочие указывали на фонетическое чтение и передают имя фараона Тутмоса III. Ученый понял, что может читать имена фараонов, не дублируемые греческими текстами, и доказал, что алфавитное иероглифическое письмо существовало в Египте задолго до контактов с греками. Резюме своего открытия Шампольон окончил 20 сентября, доклад в Академии был назначен на 27 сентября. Монография «Письмо господину Дасье относительно алфавита фонетических иероглифов» (Lettre à Mr. Dacier relative à l’alphabet des hiéroglyphes phonétiques) была литографирована еще до объявленного доклада, а извлечение из нее помещено в октябрьском номере Journal des savants за 1822 год. Публикация этой монографии ознаменовало собой рождение египтологии как науки. В самом начале «Письма к господину Дасье» утверждалось, что истолкование демотики и иероглифики позволит пролить свет на общую историю древнего Египта. В феврале 1823 года Шампольон получил через своего покровителя герцога Пьера Луи де Блака д’О (1771–1839) золотую табакерку с надписью: «Король Людовик XVIII – месье Шампольону-младшему по случаю его открытия иероглифического алфавита». Открытие Шампольона имело всемирное значение. В 1824 году вышел в свет основной труд Шампольона, излагавший учение о системе египетского иероглифического письма: «Очерк иероглифической системы древних египтян, или Изыскания об основных элементах этого священного письма, об их различных комбинациях и о связи между этой системой и другими египетскими графическими методами» (Précis du système hiérogliphique des anciens égyptiens, ou recherches sur les éléments premiers de cette écriture sacrée, sur leurs diverses combinaisonts, et sur les rapports de ce système avee les autres méthodes graphiques égyptiennes). В 1824–1825 годах братья Шампольон свершили поездку в Италию на средства правительства Франции и познакомились с коллекциями египетских рукописей в Турине и Риме. Перед отъездом из Турина Шампольон-младший обнаружил в коллекции надпись, подобную Розеттской (с греческим, иероглифическим и демотическим текстом), которая была очень удобна для демонстрации методов дешифровки и прочтения иероглифики. В 1825 году Жан-Франсуа был награжден орденом Почетного легиона. В 1826 году по поручению правительства Шампольон провел успешные переговоры о покупке коллекции египетских древностей англичанина Генри Солта, хранившейся в Ливорно. Она стала основой Египетского отдела парижского Лувра, куратором которого был назначен Жан-Франсуа Шампольон. В 1828–1829 годах он руководил франко-тосканской экспедицией в Египет. В ходе экспедиции Шампольон на большом новом материале убедился, что его метод фонетического чтения иероглифов не дал ни одной ошибки, а сам ученый с каждым днем лучше понимал систему древнеегипетской письменности и увеличивал число читаемых знаков. Из Вади-Хальфы 1 января он отправил письмо непременному секретарю Академии барону Бон-Жозефу Дасье (1742–1833), где писал: «Я теперь уверен, что…в нашем «Письме об иероглифическом алфавите» нечего менять. Наш алфавит правилен: он с одинаковым успехом применим, во-первых, к египетским памятникам римлян и Лагидов, и, во-вторых, что представляет наибольший интерес, к надписям всех храмов, дворцов и гробниц времен фараонов…Я предвкушаю удовольствие постепенно показать вам весь древний Египет». В конце экспедиции после аудиенции у фактического правителя Египта Мухаммеда Али-паши Шампольон написал «Краткую заметку по истории Египта, составленную в Александрии для вице-короля и врученную его величеству в ноябре 1829 года». Перед отъездом из Египта, в ноябре 1829 года, Шампольон отправил Мухаммеду Али письмо, в котором призвал к сохранению культурного наследия Египта: «Европа в целом с признательностью воспримет активные меры, которые его высочество предпримет для обеспечения сохранности храмов, дворцов, могил и всех видов памятников, которые еще свидетельствуют о могуществе и величии Древнего Египта и в то же время являются наиболее прекрасными украшениями Египта современного. В этой обстановке было бы желательным, если бы его высочество приказал: 1) чтобы не поднимали ни под каким предлогом никакого камня или кирпича, или украшения со скульптуры или не со скульптуры в древних сооружениях и монументах, до сих пор существующих как в Египте, так и в Нубии, 2) древние монументы, вырытые и высеченные в горах, также важно все сохранить… Необходимо срочно распорядиться, чтобы в будущем не совершалось никакого повреждения в этих захоронениях…»