La carestía de las planchas de cobre y la dificultad de pulirlas para su reutilización le dirigen a la utilización de la piedra caliza. Experimenta en su pulido y su grabado por ácido, método que abandona temporalmente por el grabado en relieve, para el que utiliza barnices y tintas diferentes. Fracasa en el intento de obtener una patente de invención por este método, denominado litografía mecánica.  

Un hecho fortuito, que él mismo cuenta en su libro, le lleva a cambiar de estrategia, el cambio estaba en no grabar ni atacar la piedra sino la de basar el proceso en medios puramente químicos. Así logró las primeras estampas o impresiones litográficas y por ende inventó la litografía, se cree que en 1796, aunque se desconoce la fecha exacta (con toda seguridad entre los años 1796 y 1798). 
El mismo Senefelder cuenta en sus escritos una anécdota acaecida en 1796, cuando su madre interrumpe sus trabajos de preparación de una piedra caliza para que escriba una lista de ropa para enviar a la lavandería; como no tenía lápiz ni papel, la escribe directamente en la piedra donde estaba trabajando con la tinta que usaba compuesta de jabón, cera y negro de humo; en vez de secarla se le ocurrió pensar en lo que sucedería mojando la superficie con agua fuerte diluida. Después de innumerables experimentos y pruebas, en donde probó a dibujar con tintas mas grasas, a base jabón graso, sebo, etc...  y a lavar la superficie de la piedra con distintas diluciones de ácido y agua, fue perfeccionando su técnica hasta llegar a conseguir el procedimiento correcto. 
Lo que mas le llamó la atención fue como la tinta quedaba fijada indeleblemente a la piedra porosa, incluso después de lavarse repetidamente,  atrayendo y reteniendo a la tinta por sí misma; además si se la lavaba observó que la tinta no se adhería a las partes húmedas.

Los primeros trabajos del taller de Senefelder fueron para imprimir las partituras musicales de su amigo y colaborador, el músico Franz Gleissner y también imprimir ilustraciones e incorporarlas a los libros como una alternativa mas barata al grabado. Comienza pues a trabajar en su taller de Munich con pedidos suficientes, empleando a dos de sus hermanos, Georg Senefelder (1778-1827) y Theobald Senefelder (1777-1846) con la ayuda de dos aprendices.

Los primeros contratos de explotación de la litografía concedidos por Senefelder fuera de Baviera fueron los siguientes:

- El 19 de junio de 1801, se registra una Patente de importación de su nueva técnica a nombre del mismo Johann Anton André, para Escocia

- El 20 de junio de 1801 (un día después), patente de importación para Inglaterra y Gales.

- El 11 de febrero de 1802, Peter Friedrich André (hermano de Johann Antón André) solicita patente de importación a Francia, que le es inmediatamente concedida.

- El 13 de enero de 1803 se concede a Senefelder el privilegio de explotación en Viena por 10 años. Anteriormente se intentó firmar tal contrato pero hubo importantes  desavenencias entre los hermanos André y Senefelder que impidieron su buen fin.

- En 1806, karl Senefelder, hermano de Alois, y el español Carlos Gimbernat firman un contrato para que éste último aprenda la nueva técnica litográfica en el taller de Munich.

La Litografía es de los pocos procesos de los que hoy en día tenemos una excelente documentación, pues es el propio inventor, muy interesado desde sus inicios en la publicación de un libro sobre su invento, quien edita varios libros y artículos hasta que finalmente en 1818 (veinte años después de su invención) publica su Curso Completo de Litografía. En este periodo hubo muchas otras publicaciones sobre la materia con errores e imprecisiones, obras incompletas, etc... hasta la aparición del tratado completo de Senefelder en 1818. 
No obstante, hubo otros muchos litógrafos que realizaron publicaciones de gran relevancia. Entre todos sentaron las bases sobre las que había de desarrollarse rápida y firmemente la litografía. Se exponen en orden cronológico las principales publicaciones:

Pensionado por el rey Luis I de Baviera, fue un trabajador incansable que no cejó en su esfuerzo de mejorar e investigar sobre su gran invento; llegó a pronosticar la Cromolitografía, afirmando que algún día su procedimiento se perfeccionaría haciendo posible la reproducción de colores. Sienta las bases del dibujo litográfico, el papel autográfico, la preparación para la impresión y la estampación directa. Perfecciona las prensas, introduce la matriz sobre plancha metálica de zinc y experimenta la estampación textil.

Senefelder fallece el 26 Febrero de 1834 en Munich, a la edad de 63 años, de un derrame cerebral. Se encuentra enterrado en el antiguo cementerio del sur de Munich.