È stato autore di ricerche sperimentali in embriologia, citologia, genetica, neuroanatomia, neurobiologia, rigenerazione tissutale, anatomia comparata e teratologia.
L'uso dei modelli evitava gli inconvenienti causati dall'elevata deperibilità e dalla scarsa reperibilità dei materiali viventi facilitando lo studio dell'anatomia, zoologia, embriologia e botanica.
Haeckel sviluppò la teoria, oggi superata, della ricapitolazione, detta anche "parallelismo embriologico" o "legge biogenetica fondamentale", che sfrutta l'embriologia a sostegno del darwinismo.
