海克爾的勤奮工作，換來了學術上的累累碩果。1865年，海克爾再次獲得晉升，成為教授和動物博物館館長；又過了一年後，他發表了自己的學術巨著《普通生物形態學》。
海克爾是十分崇拜達爾文的，他也是達爾文自然選擇學說的堅定捍衛者和積極傳播者。海克爾曾經以自己大量的著述和在講壇上一次又一次的演講，向公眾宣傳達爾文的自然選擇理論，為此，他在公眾中享有很高的聲譽。海克爾還發表過《人類發展史》、《生命的奇跡》和《作為宗教和科學之間的紐帶的一元論》等一係列融入進化論觀點的生物學專著。此外，他寫的《宇宙之謎》曾遭到唯心主義哲學家和神學家的猛烈攻擊，但是，這本書從1899年初版以來，至今已經被翻譯成30多種不同語言的版本，先後發行了幾十萬冊。雖然這本書並不隻是研究生物學的，它隻是以生物學理論為基礎的一本哲學能俗讀物，可是，在這本書中海克爾提出了“上帝”和“自然”其實是同一個事物或實體，物質和精神都是這個事物不可或缺的兩個屬性。這本書對“一元論”的哲學思想進行了係統和通俗的總結，是海克爾完整學術思想的重要組成部分。
海克爾既具有科學家的嚴謹，也具有藝術家的浪漫。他從小熱愛大自然，一生中所創作的風景畫就不下千餘幅。而在科學研究中，他既注重事實，也善於推理。在他被聘為耶拿大學教授以後，他先後到過許多地方親自進行科學考察。從大西洋的加納利群島、錫蘭島，到紅海、印度尼西亞的爪哇，到處都留下了他辛勤的汗水和足跡。他研究過海洋中的原生動物、海綿動物、腔腸動物、軟體動物、棘皮動物和一些脊椎動物等廣泛的動物類群。他在對四千多種海洋動物的全麵觀察、科學分類和胚胎發育等方麵研究的基礎上，首創了生物分界的“三界說”。並指出，在動物界、植物界和原生生物界之內，每“界”是由許多“門”組成的。
起初，海克爾研究動物的個體發生是分門別類逐一進行的。他觀察過動物的受精卵是如何經曆卵裂、形成囊胚、原腸胚再發育成幼體的；也曾將不同類型動物的發育過程進行過比較。
後來，他在研究家畜中豬的個體發育時，發現這種家養動物的個體發育和種係發生有許多相似之處：個體發育的起點是單細胞的受精卵，而係統發育理論認為多細胞生物就是由單細胞起源的；豬的早期胚胎具有鰓裂，而係統發育理論認為豬的祖先應是水生動物；豬在陸地上生活，而係統發育理論則認為陸生動物起源於水生環境，這些難道都是巧合嗎？為了進一步弄清這個問題，海克爾查找文獻資料，發現在大約半個世界前一位叫做梅克爾的解剖學家的奇妙猜想：一個物種可以從另一個物種演化而成，在高等動物的胚胎發育中，會在解剖結構和生理上重顯該物種的進化發展過程。然而，另一位叫做貝爾的動物胚胎學家又否定過海克爾的猜想。貝爾在他的著作《論動物的發育史·觀察與回顧》中指出：深入觀察脊椎動物發育史，就會看到各種胚胎無論在整體還是局部上都相似。貝爾通過深入的研究，歸納出了以下結論：
（1）在每個較大類群的動物胚胎發育中，通常是先出現脊索、鰓裂等一般性狀，後出現各類群獨有的特殊性狀；（2）在不同的動物類之間，胚胎發育中所表現出來的“差異”是早期較小，後來逐漸擴大的；（3）高等動物的胚胎發育在早期會經曆一段與低等動物發育相當類似的過程。
以後，達爾文也知道了貝爾的觀點，並認為陸生動物早期胚胎發育中出現鰓裂的現象，“完全與祖先（對於生活環境）的適應有關，是重演了祖先發育過程的一個形象”。1864年，德國的一位博物學家F彌勒也在《關於達爾文》一書中闡述了對這個問題的看法。他認為：“個體發生是種係發生的簡縮與重演”。
海克爾則在這些已有論述的基礎上，又進行了大量的深入研究和仔細比較後認為，無論高等的陸生脊椎動物還是低等的水生無脊椎動物，它們的個體發生（個體發育）和種係發生（係統進化）都是既相互獨立、又密切相關的。個體發生是種係發生的簡單而迅速的重演。海克爾將他的這個研究結論寫進了《普通生物形態學》，並命名為“生物發生律”，也叫做“生物重演律”。