Tandis qu'il catalogue la collection du Royal College of Surgeons, Owen ne se confine pas aux préparations déjà effectuées mais saisit aussi chaque occasion de faire de nouvelles dissections. Il bénéficie du privilège de pouvoir examiner les spécimens morts de la Zoological Society of London. Quand cette société commence à publier des articles scientifiques, ses contributions sont la principale source en anatomie. Sa première publication est Memoir on the Pearly Nautilus en 1832, rapidement considérée comme un classique. À partir de ce moment il continue son travail en anatomie comparative et en zoologie pendant près de cinquante ans. Il décrit des spongiaires (1841, 1857), découvre un parasite du muscle humain Trichinella spiralis (1835, voir aussi James Paget). Il étudie en détail des brachiopodes et met en place une classification adoptée pendant une longue période. Il décrit des mollusques tel que le spirula en 1850 et d'autres céphalopodes vivants ou fossiles et propose leur classification en deux branches Dibranchiata et Tetrabranchiata en 1832 qui devient universellement acceptée. L'arthropode Limulus est aussi l'objet d'un mémoire en 1873.
La lecture des mémoires d'Owen réclame une lecture laborieuse, due à la nomenclature utilisée et l'ambiguïté de ses modes d'expressions ; une faible part de sa terminologie sera universellement reconnue et sera donc plus ou moins négligée. Dans le même temps, il faut se souvenir qu'il est un pionnier dans la nomenclature anatomique concise et que, au moins pour les squelettes de vertébrés, ses termes sont choisis selon un schéma philosophique soigneusement réfléchi qui distingue pour la première fois clairement entre l'analogie et l'homologie. La théorie d'Owen sur les Archetype and Homologies of the Vertebrate Skeleton illustré en 1849 par On the Nature of Limbs décrit la structure des vertébrés comme consistant en une série de segments fondamentaux identiques, chacun modifié en fonction de sa position et de sa fonction. Beaucoup de ces idées sont chimériques et échouent quand on les examine du point de vue de l'embryologie, qu'Owen ignore systématiquement dans tous ces travaux. Toutefois sa vision possède une valeur distinctive à cette époque.
Il traite rarement du problème philosophique plus profond soulevé par les progrès de la biologie. Ses généralisations ne s'étendent guère au-delà de l'anatomie comparative, des phénomènes d'adaptation à la fonction et des faits géographiques ou des distributions géologiques. Toutefois ses leçons sur la parthénogenèse publiées en 1849 contiennent l'essence de la théorie du plasma germinatif élaborée plus tard par August Weismann. Il fait aussi plusieurs fois des allusions, mais assez vagues, à la succession des genres et des espèces et à leur possible dérive les unes des autres. Il se réfère plus particulièrement aux formes successives de chevaux (1868) et de crocodiles (1884) mais il n'a jamais dit clairement jusqu'à quel point il admettait les théories modernes sur l'évolution. Il se contenta de cette simple remarque : « La démonstration inductive de la nature et du mode d'opération des lois gouvernant la vie devrait dorénavant être le plus grand but des philosophes naturalistes. »
Les contributions de Owen les plus marquantes concernent les monotrèmes, les marsupiaux et les singes anthropoïdes. Tandis qu'il décrit des restes fossiles en 1870, il est le premier à reconnaître les deux groupes d'ongulés, ceux avec un nombre pair de doigts, les artiodactyles, et ceux avec un nombre impair de doigts, les périssodactyles. Toutefois la plupart de ses travaux sur les mammifères concernent des espèces disparues sur lesquelles son attention semble avoir été attirée par la remarquable collection de fossiles sud-américain de Charles Darwin. Les toxodons des pampas constituent la première évidence d'un ongulés disparu, un pachyderme possédant des caractéristiques des rongeurs, des édentés et des cétacés herbivores. Il découvre aussi des tatous géants qu'il nomme glyptodon (1839) et écrit des mémoires sur des espèces de paresseux géants vivant au sol, les mylodon (1842) et les megatherium (1860) entre autres importantes contributions.
À la même époque Sir Thomas Mitchell découvre des os fossilisés en Nouvelle-Galles du Sud qui fournissent à Owen le matériel pour la première contribution d'une longue série sur les mammifères disparus d'Australie, qui seront rééditées en 1877. Il découvre les diprotodons et les thylacoleo ainsi que des espèces de kangourous et des wombats géants. Dans le même temps, il collecte des fossiles des îles Britanniques et entre 1844 et 1846 publie son History of British Fossil Mammals and Birds qui est suivi par de nombreux autres mémoires dont Monograph of the Fossil Mammalia of the Mesozoic Formations. L'un de ses derniers travaux est intitulé Antiquity of Man as deduced from the Discovery of a Human Skeleton during Excavations of the Docks at Tilbury.