他決心像伽利略一樣，通過實驗，去揭開人體血液循環的神秘麵紗。這一係列實驗，他首先拿動物開刀，他認為動物的血液與人有著相似之處，據他的筆記記載，他一生共解剖過動物的種類多達40多種。他解剖過許多大動物，通過解剖，終於發現心髒像一個水泵，把血液壓出來，血液便流向全身。
哈維用兔子和蛇，反複做實驗，他把它們解剖開之後，找出還在跳動的動脈血管，然後用鑷子把它夾住，觀察血管的變化，他發現血管通入心髒的一頭很快鼓脹起來，而另一端就馬上癟下去了，這說明血是從心髒裏向外流出來的，由此證明動脈裏的血壓在升高。他又用同樣的方法，找出了大的靜脈血管，用鑷子夾住，其結果正好與動脈血管相反，靠近心髒的那一段血管癟了下去，而遠離心髒的另一端鼓脹了起來，這說明靜脈血管中的血是流往心髒的。
哈維在不同的動物解剖中發現了上述同樣的結果，他終於得出了這樣一個結論：血液由心髒這個“泵”壓出來，從動脈血管流出來，流向身體各處，然後，耳從靜脈血管中流回去，回到心髒，這樣完成了血液循環。他把這一發現，寫成了《動物心髒和血液運動》一書，正式提出了關於血液循環的理論。為了使讀者信服他的理論，他在書中說：“一切推理和實驗都表明血液是由於心室的跳動而穿過肺髒和心髒的，由心髒送出分布全身，流到動脈和嘰肉的細孔，然後通過靜脈由外圍各方流向中心，由較小的靜脈流向較大的靜脈，最後流入右心耳。……因此，有絕對的必要作出這樣的結論：動物的血液是被壓入循環而且是不斷流動著的；這是心髒借跳動起來完成的動作和機能，也是心髒的動作和唯一結果。”
為了讓人們接受他的觀點，證明人的血液循環也與動物是一樣的，他還在人身上反複地實驗。他請了一些比較瘦的人（容易在身上找到血管）。他把那些人手臂上的大靜脈血管用繃帶紮緊，結果發現靠近心髒的一段血管癟下去，而另一端鼓了起來。他又紮住了動脈血管，發現遠離心髒的那一端動脈不再跳動，而另一端，很快鼓了起來。證明完全與動物的血液循環是一樣的。他在書上告誡人們：“無論是教解剖學或學解剖學的，都應當以實驗為依據，而不應當以書籍為依據；都應當以自然為老師，而不應當以哲學為老師。”
哈維終於在醫學史上取得了巨大的成功，但他的理論因為有悖於權威的理論，所以，書出版之後，就遭到當時學術界、醫學界、宗教界的權威人士的攻擊，說他的著作是一派胡言，是荒謬而不可信的。幸好，哈維當時是英國國王查理一世的禦醫，受到國王的寵幸，這才使他沒有像前輩維薩裏、塞爾維特那樣付出生命的代價。
直到哈維1657年逝世以後的第四年，伽利略發明的望遠鏡，被意大利馬爾比基教授改製為顯微鏡用於醫學上，觀察到毛細血管的存在，才真正證實了哈維理論的正確性。哈維的血液循環理論的被承認，標誌著當時的科技在醫學領域中的顯著成就。