Les travaux qui firent connaître Haeckel parmi les biologistes, sont principalement des monographies de biologie marine sur les radiolaires (1862, 1887), les éponges calcaires (1872), les méduses (1879-1880) et les siphonophores (1869, 1888). Ces travaux lui permirent d'obtenir un poste de professeur d'université, puis plus tard une chaire de zoologie à Iéna. Très travailleur, lors de la description des radiolaires accumulés par l'expédition britannique Challenger, il nomma plus de 3 500 nouvelles espèces. Sa partie du rapport de l'expédition Challenger regroupe trois volumes avec 2 750 pages et 140 planches détaillées de ces fragiles organismes. Haeckel n'était pas seulement un grand chercheur mais aussi un dessinateur talentueux, les représentations et planches de sa main impressionnent par leur fidélité à la nature et leur qualité plastique. En raison de l’abondance des espèces représentées, ces planches gardent encore aujourd'hui un grand intérêt scientifique.
Après 1859, Haeckel prit connaissance des idées de Darwin sur l'origine des espèces. L'ouvrage de Haeckel Generelle Morphologie (1866) est un travail historique, qui marque le début de nombreux ouvrages de synthèse sur différents domaines de la biologie, à la lumière de la théorie de l'évolution. Après la Morphologie générale, Haeckel commença à publier des ouvrages de vulgarisation pour un public de profanes, en adaptant souvent ses cycles de conférences. Celles-ci partaient de la théorie de l’évolution pour aborder les aspects scientifiques aussi bien que philosophiques qui sont intimement liés dans la conception moniste des choses.
Le plus populaire de ses ouvrages, en Allemagne et à l'étranger, fut son Die Welträthsel, paru en 1899. Vers 1900, Haeckel arrêta son travail scientifique, ne publiant essentiellement plus que des ouvrages de vulgarisation qui exposaient ses propres réflexions. On a aussi de lui des récits de voyages et un volume d’aquarelles. Une édition posthume en 6 volumes, Gemeinverständlichen Werke, propose la plus importante vue d'ensemble sur les écrits de Haeckel.
Avec son ouvrage Natürlichen Schöpfungsgeschichte (1868), Haeckel entreprit une première fois de vulgariser les idées développées dans Generellen Morphologie. Malgré de gros défauts, que Haeckel remarqua plus tard, l’Histoire de la création connut 9 éditions entre sa première parution et la publication des Énigmes de l'univers en 1899 et fut traduite en 12 langues. Les deux livres, Les Énigmes de l'univers et Les Merveilles de la vie (Lebenswunder) (1904) continuèrent dans la même voie, en débordant cependant de plus en plus largement le cadre de l'interprétation des faits biologiques dans le contexte de la théorie de l'évolution.
Haeckel appliqua dans son ouvrage Anthropogénie (1874, environ 730 pages) les méthodes développées dans Generellen Morphologie aux Hommes. Nach einer historischen Einleitung in die Geschichte der Evolutionstheorien untersucht er die Keimesgeschichte des Menschen, indem er die Eizelle, Befruchtung, die Anlage der Keimblätter und des Blutkreislaufes im Sinne der Ontogenese darstellt. ⇔ Après une introduction historique traitant de l'histoire des théories de l'évolution, il examine l'histoire de l'embryon humain, en présentant l'ovule, la fécondation, la disposition des feuillets embryonnaires et la circulation sanguine dans le sens de l'ontogenèse.
La troisième section traite de la phylogénie. Dans cette partie, Haeckel présente tout d'abord des vertébrés simples, puis différentes étapes de la lignée des ancêtres de l'Homme :
I. vom Moner zur Gastraea, II. vom Urwurm bis zum Schädelthier, III. vom Urfisch bis zum Amnionthier (=Gruppe aus Reptilien, Vögeln und Säugern) und IV. Vom Ursäuger bis zum Affen.
La quatrième section traite de l'évolution des systèmes d'organes (groupes d'organes fonctionnant ensemble) : la peau, le système nerveux, le système sensoriel, le système moteur, le système intestinal, le système cardiovasculaire et le système urogénital. Enfin l'ouvrage se termine par un chapitre récapitulatif, dans lequel Haeckel réfute la conception duale, en particulier les croyances créationnistes et l'idée de fonctions cérébrales indépendantes de l'âme. Il esquisse également brièvement son monisme.