зоология и сравнительная микроскопическая анатомия. В 1859 году Геккель участвовал в научной экспедиции в Италию, во время которой во Флоренции он приобрёл мощный микроскоп в мастерской известного натуралиста и оптика Амичи. Во время итальянской поездки Геккель знакомится с Германом Аллмерсом, чьи взгляды произвели на Геккеля неизгладимое впечатление. Этим же летом он пишет в письме:

Благодаря ему, мой собственный интерес к рисованию возродился. В значительной степени я должен благодарить его за то что мне удалось сделать всё в два раза проще и точнее. Я не успокоился, пока все пейзажи, которые стали так любимы мной, не были зарисованы в моём альбоме. Действительно, в Мессине, в конце нашего совместного путешествия, под его влиянием, я был готов отказаться от естественных наук и стать пейзажистом.

Вскоре Геккель занялся изучением морского планктона в Мессинском проливе. Исследования велись в течение шести месяцев с помощью нового микроскопа. В результате было обнаружено 120 новых видов радиолярий. Данное направление исследований стало для него одним из основных до конца жизни. Во времена Геккеля было известно несколько сотен видов радиолярий, в современной науке известно более 5000. Эрнст Геккель представил доклад по теме радиолярий в 1860 году, на тридцать пятом съезде Общества немецких естествоиспытателей и врачей. В 1862 году, в возрасте двадцати восьми лет, Геккель был назначен адъюнкт-профессором, позже приват-доцентом в университете Йены.

С 1865 по 1909 годы Геккель был профессором Йенского университета.

Сильнейшее воздействие на Геккеля оказали дарвиновские идеи. В 1863 году он выступил с публичной речью о дарвинизме на заседании Немецкого научного общества, а в 1866 вышла его книга «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»). Спустя два года появилась «Естественная история миротворения» («Natürliche Schöpfungsgeschichte»; русский перевод 1914 года), где развиваемый им эволюционный подход излагался в более популярной форме, а в 1874 году Геккель опубликовал работу «Антропогения», или «История развития человека» («Anthropogenie», или «Entwickelungsgeschichte des Menschen»; русский перевод 1919 года) — первое в истории всестороннее исследование, в котором обсуждались проблемы эволюции человека.

​

Геккель разработал теорию происхождения многоклеточных (так называемая теория гастреи) (1866), сформулировал биогенетический закон, согласно которому в индивидуальном развитии организма как бы воспроизводятся основные этапы его эволюции, построил первое генеалогическое древоживотного царства.

Теория гастреи принесла ему известность и признавалась большинством учёных до сравнительно недавнего времени. В настоящее время эволюционисты, наряду с теорией гаструлы, рассматривают как хорошо обоснованную теорию фагоцителлы, предложенную И. И. Мечниковым в 1879—1886 гг., а также теорию синзооспоры и первичной седентарности многоклеточных, разработанную А. А. Захваткиным, и другие.

Продолжая свои зоологические исследования в лаборатории и в ходе экспедиций на остров Мадейра, на Цейлон, в Египет и Алжир, Геккель публикует монографии по радиоляриям, глубоководным медузам, сифонофорам, глубоководным рыбам-удильщикам, а также свой последний систематический труд — внушительную «Систематическую филогению» («Systematische Philogenie», 1894—1896; русский перевод 1899 года).

​

Для зоологических исследований предпринимал поездки на Гельголанд и в Ниццу, работал в Неаполе и Мессине. Путешествовал в Лиссабон, на Мадейру, Тенерифе, Гибралтар, в Норвегию, Сирию и Египет, на Корсику, Сардинию и Цейлон. Геккель был одним из первых германских зоологов, поддержавших теорию Дарвина. Опираясь на эту теорию и на данные эмбриологии, Геккель сделал попытку дать рациональную систему животного царства, основанную на филогенезе животных. Особенное внимание обратил Геккель на важное значение истории развития индивидуального, или онтогения, для вопроса о происхождении самого вида или его филогении. Исходной точкой для взглядов Геккеля послужила стадия эмбрионального развития, названная Геккелем гаструлой. Геккель полагал, что эта стадия повторяет собой общего прародителя всех животных. Этого предполагаемого прародителя Геккель назвал гастреей и старался объяснить, каким образом из неё развились различные типы животного царства. Учение о гастрее позднее было признано ошибочным.

Геккель представил генеалогию растительного царства, начиная от самых простейших форм, протистов, до сростнолепестных, считаемых за самые развитые и совершенные формы.