Обладая глубоко философским умом, необыкновенной способностью к индуктивному мышлению, большими познаниями в математическом анализе и экспериментальным искусством, Г. вносил всегда новое и оригинальное во все области науки о природе, которых он касался — в физиологию, физику, химию, механику, метеорологию, даже психологию и математику. Первая его работа относится к физиологической химии — к вопросу «о гниении и брожении» (1843); в ней Г. старается выяснить роль микроорганизмов в этих процессах. Дальнейшие исследования (1845 — 1847) над обменом веществ и возбуждением тепла в мускулах во время их деятельности наводят Г. на мысли об общих законах, связующих превращения энергии в неорганическом и органическом мире — мысли, изложенные в его классическом сочинении «Die Erhaltung der Kraft» (1847). Здесь впервые точно формулирован и развит закон сохранении энергии, легший теперь в основание всего современного естествознания. В 1850 году Гельмгольц доказал, противно мнению знаменитого И. Мюллера, что быстрота передачи нервных стимулов измерима и измерил ее; с этого года начинается период весьма плодотворной деятельности Г. в области физиологии чувств. Уже в 1851 г. изучение оптической системы глаза привело его к изобретению офтальмоскопа и офтальмометра; благодаря последнему прибору, ему удалось в 1853 г. решить важный вопрос о механизме аккомодации (приспособления) глаза. Далее в 1855 г., основываясь на забытой идее Томаса Юнга, Г. развивает общепринятую теперь теорию восприятия глазом цветовых впечатлений, известную под именем теории Юнга-Гельмгольца, и в интересном психологическом исследовании уясняет связь между нервными восприятиями и возбуждаемыми ими в нас впечатлениями. Уже будучи в Гейдельберге, Г. собирает все свои работы по физиол. оптике и издает их в связном виде в сочинении «Handbuch der Physiologischen Optik» (1859 — 1866). В Гейдельберге Г. приступает также к изучению вопросов акустики, физиологии органа слуха и речи и физической стороны музыки; уясняет сущность механизма звукового восприятия и различных его проявлений — гармонии, диссонанса, разности в тембрах и комбинационных тонов, причем указывает на ту выдающуюся роль, которую играют в этих явлениях и в явлениях речи вместе гармонические звуки. Построив ряд, им же придуманных, резонаторов, Г. изучает явления речи, и в 1860 г. ему удается синтетически воспроизвести произношение гласных, в то же время он решает сложные математические вопросы о механизме воздушных колебаний, и дает интересные этюды по психофизике чувств. Эти работы Г. собраны в его сочинении: "Die Lebre von den Tonempfindungen (1862). С переездом в Берлин в 1871 г. Г. посвящает себя исключительно физике, причем изучает наиболее сложные ее области: электродинамику, в которой, исходя из идей Фарадэя, разрабатывает собственную теорию, затем гидродинамику и явления электролиза в связи с термохимией. Особенно замечательны работы по гидродинамике, начатия им еще в 1858 г., в которых Г. дает теорию вихревых движений и течения жидкости и в кот. ему удается решить несколько весьма трудных математических задач. В учении об электролизе Г. обобщил закон Фарадея, дал теорию конвекционных токов и объяснил сложные явления, происходящие в водяном вольтаметре; наведенный этими исследованиями на общие законы термодинамики химических процессов, Г. в 1882 г. дает замечательную теорию свободной энергии, в которой решает вопрос о том: какая часть полной молекулярной энергии какой-либо системы может превратиться в работу; эта теория имеет в термохимии тоже значение, что принцип Карно в термодинамике. В 1884 г. Г. публикует теорию аномальной дисперсии, основывающуюся на предположении взаимодействия материальных частиц и частиц эфира, а немного позже несколько важных работ по теоретической механике. К тому же времени относятся работы по метеорологии. Еще в 1875 г. Г. применил свои исследования над течениями и вихрями к изучению движений атмосферы; к ним он вернулся в 1888 г., и в одной работе (1888) дал теорию ветров, в другой «Об энергии ветра и волн» (1890), объяснил механизм образования волн при прохождении ветра над водной поверхностью; самые последние работы Г. (1891 — 1892) относятся к теоретической механике.