La quantification des observations biologiques est considérée par Galton comme une condition nécessaire à leur étude. Il applique ce principe général à l'étude des capacités humaines et utilise avec James McKeen Cattell, les premiers tests.
Ces tests sont des épreuves portant sur des processus élémentaires, sensoriels et moteurs. Leur validité à l'égard de critères complexes tels que la réussite universitaire se révèlera très faible. Galton postulait que toutes les mesures biologiques devaient se distribuer selon la loi normale, un postulat que le caractère conventionnel des mesures psychologiques prive, au moins dans ce domaine, de signification précise.
Il a été l'inventeur de nombreuses méthodes statistiques couramment employées depuis et de notions en psychologie comme l'étalonnage, la régression, la corrélation. Il a esquissé les principes de l'analyse factorielle qui sera développé en psychologie dans les directions qu'il avait indiquées par des psychologues britanniques tels que Charles Spearman et C. Bort. Ils montreront que son intuition relative à la prééminence d'un facteur général d'intelligence sur des facteurs spécifiques peut constituer une manière heuristique de décrire les différences individuelles dans ce domaine.
Il était persuadé que les facteurs héréditaires jouaient un rôle dominant dans la détermination des différences individuelles et a ébauché dans ce domaine des méthodes d'étude du problème hérédité-milieu qui ont été perfectionnées depuis : méthode des jumeaux, études des pédigrées ; mais il a sous-estimé dans ses travaux l'importance des facteurs de milieu.
Il a ainsi inspiré les politiques eugénistes qui furent appliquées au début du XXème siècle en Scandinavie, aux États-Unis et par le régime National-socialiste: stérilisation massive d'individus considérés comme déviants (alcooliques, schizophrènes, handicapés...), déviances supposées héréditaires, donc nécessitant la limitation des naissances "d’inaptes" ou, pour les Nazis, l'élimination d'individus déficients et, d'un point de vue raciste, "nocifs pour l'intégrité et la pureté de la race aryenne".
Il a fondé en 1904 et financé un laboratoire qui devait se consacrer à l'eugénique mais qui, devenu le « Galton Laboratory » de l'Université de Londres, a été ultérieurement dirigé par Karl Pearson et Ronald Fisher dont les contributions aux méthodes statistiques sont indépendantes des orientations générales de Galton.