В учении о клетке до Вирхова господствовали воззрения знаменитых ученых Шлейдена (доказавшего в 1833 году, что все растительные ткани состоят из клеток) и Шванна (опубликовавшего в 1839 году работу о сходстве животных и растительных клеток). И Шлейден, и Шванн полагали, что клетки образуются из слизеобразной массы (бластемы). По их теории, называвшейся «теорией часового стекла» (Uhrglastheorie), в студенистой бластеме появляется кучка зернышек, которая обособляется, и затем из нее выходит пузырек, в виде плоского возвышения, располагающегося на кучке зерен, как часовое стекло на циферблате часов. Постепенно это возвышение увеличивается и превращается в клетку.
В своих работах 1847 года Вирхов придерживался этого же «гуморального» учения. В конце пребывания в Вюрцбурге и особенно в период берлинской работы Вирхов порвал с этим учением и провозгласил свою клеточную патологию. После предварительной статьи на эту тему, вышедшей в 1855 году, он опубликовал в 1858 году большой труд на эту тему, записанный стенографически с курса, читанного им в институте для врачей. Вирхов не только описал происхождение клеток из клеток путем деления, но и показал, как наследуются клетками свойства, присущие материнским клеткам. Он указал, как патологически (болезненно) изменяются клетки под влиянием различных факторов: механических, термических, химических, биологических. Он объяснил таким образом сущность болезненного процесса и закономерности его развития. Вирхов не отрицал тех патологических изменений, которые происходят в жидких составных частях организма — в плазме, крови, в лимфе и т. д. Но основу патологических процессов он видел в патологических изменениях клеток. Заболевание клетки распространяется на окружающую область, на так называемую «клеточную территорию». В этом заключается процесс «воспаления». «Тело человека, — учил Вирхов, — может быть разделено на бесчисленные растительные живущие и питающиеся единицы, из которых каждая представляет известную независимость, известное самоопределение жизни». Это учение Вирхова двинуло вперед целый ряд медицинских и смежных с медициной наук: гистологию (учение о тканях и клетках), общую патологию, патологическую анатомию, физиологию и т. д.
На том же генетическом методе была основана и другая крупная работа Вирхова этого периода — «О болезненных опухолях». И здесь Вирхов, придерживаясь принципа «omnis cellula e cellula» («каждая клетка происходит из клетки»), положил конец учениям об опухолях как о чуждых паразитарных образованиях; принцип образования клеток действует и в опухолях: тип дочерней клетки соответствует типу материнской клетки. Вирхов дал классификацию опухолей, определил различия доброкачественных опухолей от злокачественных. Все это учение об опухолях он изложил в 30 докладах, прочитанных зимой в 1862–1863 гг.; в печати появилось лишь два с половиной тома, — окончание так и не увидело света. К этому времени относится целый ряд других научных работ Вирхова. В его научный кругозор входят почти все важнейшие патологоанатомические проблемы того времени. Он составляет руководство по «Технике вскрытий». В этой книге изложены правила как патологоанатомических, так и судебных вскрытий. Руководство стало настольной книгой врачей этих специальностей.
В то же время Вирхов много работает над трихинозом и над выявлением паразита (глиста трихины), вызывающего эту болезнь. Работа Вирхова пролила свет на гигиенические и полицейские мероприятия (исследование мяса животных под микроскопом и запрещение продажи зараженного мяса); эти мероприятия в борьбе с трихинозом применяются до сих пор.
Вирхов работает также над патологической анатомией туберкулеза, изучает макроскопические и микроскопические изменения в тканях организма при этой болезни. Он изучает также патологоанатомическую картину сифилиса, проказы, эхииокока (паразита, живущего в печени человека), эндокардита (поражения клапанов сердца), хлороза (малокровия) и т. д. Особенно подробно изучал Вирхов инфекционные болезни, причем в эту область привнес свое, новое. Инфекционисты того времени объясняли развитие инфекционных болезней простым внедрением в организм инфекционного начала (возбудителя инфекции). Однако всем известны были уже тогда случаи, когда простое внедрение инфекции не вызывало еще заболевания. Вирхов уже тогда предостерегал против одностороннего увлечения инфекционистов и доказывал, что на возможность заболевания, при внедрении инфекции, влияет также реакция клеточных организмов, создающая ту невосприимчивость к заразе, иммунитет. учение о котором так блестяще развил наш соотечественник И. И. Мечников.