Dorobek Hermann von Helmholtz starał się zastosować prawa fizyczne do procesów fizjologicznych. Badał procesy chemiczne związane z ruchem mięśni. Zauważył, że ruch ten powoduje zmiany chemiczne i zmiany temperatury. Zbudował wtedy aparaturę do badania ciepła wydzielanego w czasie zmian fizjologicznych. Zaproponował zasadę zachowania energii – energia zmienia formę, ale jest zachowana w różnych procesach transformacyjnych. Uważał, że nie istnieje specjalna energia w organizmach żywych i że wszystkie formy energii w organizmach ożywionych są podobne do procesów zmian energetycznych w materii nieorganicznej. Sprzeciwiał się w ten sposób witalistycznym poglądom swojego nauczyciela Jana Müllera (patrz organicyzm).
Pod koniec 1849 roku Helmholtz odkrył, że impulsy nerwowe wywoływane przez podrażnienie mięśni żaby przemieszczają się z prędkością pomiędzy 24,6 a 38,4 m/s. Wynik ten wskazywał na to, że impulsy nerwowe są związane z procesami chemicznymi lub elektrycznymi, innymi słowy są opisywane przez procesy fizyczne.
W 1854 roku wysunął hipotezę, że Słońce rozgrzewa się wskutek zapadania pod własnym ciężarem (por. mechanizm Kelvina-Helmholtza).
Wybrane prace Über die Erhaltung der Kraft, 1847. Liczenie i Mierzenie z Punktu Widzenia Teoryi Poznania.