Helmholtz erarbeitete in den verschiedenen Disziplinen der Naturwissenschaft bedeutende Forschungsergebnisse und erfand Verbesserungen in der Anwendungstechnik. Von Anfang an war er fächerübergreifendem Denken verpflichtet.
So gelangte er durch interdisziplinäre Arbeit zu neuen Ergebnissen: Durch Experimente an Fröschen wies er nach, dass die ihnen durch einen Induktionsapparat zugeführte Energie in den Muskeln selbst zu einer Steigerung der Wärme führte, dass also das Prinzip von der Konstanz des Kraftäquivalents bei Erregung einer Naturkraft durch eine andere zutrifft – bekannt als Satz der Erhaltung der Energie. Insgesamt forschte Helmholtz – nach heutigem Fächerkanon betrachtet – in folgenden Disziplinen: in Anatomie, Pathologie, Physiologie, Hydro- und Elektrodynamik, Optik, Akustik, Mathematik, Musik und Augenheilkunde. Für den Anwendungsbereich entwickelte er beispielsweise den Augenspiegel zur Untersuchung des Augenhintergrundes und die Helmholtz-Spule zur Erzeugung eines zugänglichen homogenen Magnetfeldes. Besonders bekannt ist der oben beschriebene Satz von der Erhaltung der Energie, aber auch die Helmholtz-Differentialgleichung und seine philosophischen Diskurse, insbesondere seine erkenntnistheoretischen Überlegungen.