Na súa mocidade, Helmholtz trasladouse aBerlín para estudar medicina no Instituto Federico Guillerme Médico-Cirúrxico, escola que formaba a médicos militares. Elixiu estudar alí porque non había que pagar matrícula, cousa importante debido a que a súa familia non era demasiado adiñeirada. Porén, en troques comprometíase a servir oito anos no exército.
Catro anos máis tarde Helmholtz abandonou a Pipinière como doutor enanatomía para realizar prácticas no hospital daCharité. En1841 comezou unha tese doutoral baixo a dirección de Müller. Estudaría a estrutura do sistema nervioso nos invertebrados. Así descubriu que as fibras nerviosas xorden dunhas células, anteriormente identificadas porChristian Gottfried von Ehrenberg.
En1843 foi destinado ao hospital dePotsdam, onde traballou durante cinco anos. Puido compatibilizar o seu traballo coas investigacións, xa que tiña bastante tempo libre. Habilitou un barracón para transformalo en laboratorio. Alí realizou investigacións sobre a produción de calor durante a contracción muscular. Demostrou que a calor non era transportada polo sangue ou polos nervios, senón que era producida nos propios músculos. Deduciu un equivalente mecánico da calor, incorporado na súa disertación de1847,Über die Erhaltung der Kraft (Sobre aconservación da enerxía). Isto significaba que non existían "forzas vitais" para mover un músculo. Helmholtz rexeitou a tradición especulativa da filosofía natural,paradigma dominante entón nafisioloxía alemá.
Tras isto, puido abandonar o exército e comezar a ensinar anatomía na Academia de Belas Artes de Berlín grazas á axuda que lle achegouAlexander von Humboldt.
En1851 inventou ooftalmoscopio, un instrumento empregado para mirar o fondo doollo, e aplicado dende entón ao ollo humano. Os intereses de Helmholtz neste tempo fóronse focalizando cada vez máis na fisioloxía dos sentidos. A súa principal publicación foi oHandbuch der Physiologischen Optik (Manual de óptica fisiolóxica). Devandita obra foi a referencia fundamental neste eido durante a segunda metade doséculo XIX. O manual proveu de teorías empíricas sobrevisión espacial e da cor.
Helmholtz continuou traballando por varias décadas en novas edicións do manual. O traballo foi posto ao día en razón da súa disputa conEwald Hering, quen mantiña puntos de vista opostos sobre devanditas teorías. A disputa dividiu a disciplina durante a segunda metade doséculo XIX.
Helmholtz tamén construíu un aparello para analizar as combinacións de tons que xeran sons naturais complexos: oresoador de Helmholtz, o cal é un instrumento musical electrónico primitivo (un dos precursores) que non naceu como tal, xa que o seu inventor era un científico e non tiña ningún interese nas aplicacións musicais derivadas das súas investigacións.
En1863 Helmholtz publicou un libro tituladoSobre as sensacións deton como base fisiolóxica para a teoría da música, onde demostraba de novo o seu interese na física da percepción. Este libro influenciou aos musicólogos do século XX.
A fisioloxía sensorial de Helmholtz foi a base do traballo deWilhelm Wundt, un discípulo de Helmholtz, que é considerado como un dos fundadores dapsicología experimental. El, máis explicitamente que Helmholtz, describiu a súa investigación como unha forma de filosofía empírica e como un estudo da mente como algo separado. Helmholtz manifestou na súa última refutación da tradición da filosofía natural especulativa de comezos do sigo XIX a importancia do materialismo, centrándose máis na unidade de corpo e mente.
Helmholtz trasladouse en1871 deBonn aBerlín, exercendo de profesor de física. Interesouse poloelectromagnetismo. Aínda que el mesmo non acadou a soa por estas achegas á ciencia, o seu discípuloHeinrich Rudolf Hertz fíxose famoso por ser o primeiro en amosar a radiación electromagnética. Outro dos seus estudantes foiMax Planck.
Helmholtz escribiu sobre moitos tópicos diferentes. Entre eles, temas tan diverxentes como aidade da Terra, a orixe do sistema planetario e o funcionamento damembrana basilar na cóclea. (Ver Resoador de Helmholtz)
