W ramach pracy doktorskiej nt. Retinas; Information processing in the compound eye Varela zajmował się problemami przetwarzania informacji odbieranych przez zmysł wzroku owadów, czyli w ich oku złożonym z wielu fasetek, z odrębnymi aparatami dioptrycznymi i receptorami (tworzą odpowiednik „siatkówki” w analizatorze wzrokowym człowieka). W oku powstaje obraz mozaikowy, złożony z niezależnie spostrzeganych małych wycinków pola widzenia.
Wśród kolejnych opublikowanych przez niego prac wymienia się artykuły nt. procesu wzrokowego poznawania obserwowanego otoczenia przez pszczoły miodne (np. 1972 – H. Maturana, F. Varela, S. Frenk, Size constancy and the problem of perceptual spaces). thumb|240px|H. Maturana w czasie wykładu (2012) Weszło to w zakres wieloletnich poszukiwań rozwiązań podstawowych problemów filozoficznych (zob. epistemologia), dotyczących życia jako zjawiska, takich jak biogeneza, dylemat psychofizyczny, zagadnienia świadomości zwierząt w różnych okresach ewolucji, istnienie lub nieistnienie rzeczy samej w sobie (por. esencjalizm a fenomenalizm). Prace doprowadziły m.in. do opisu systemu autopoietycznego (zasad samoorganizacji systemów złożonych). Stały się podstawą tzw.