Сильнейшее воздействие на Геккеля оказали дарвиновские идеи. В 1863 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 (Natrliche schpfungsgeschichte; рус. перевод 1914), где развиваемый им эволюционный подход излагался в более популярной форме, а в 1874 Геккель опубликовал работу Антропогения, или история развития человека (Anthropogenie; oder, Entwickelungsgeschichte des menschen; рус. перевод 1919), в которой обсуждались проблемы эволюции человека. Ему принадлежит мысль о существовании в историческом прошлом формы, промежуточной между обезьяной и человеком, что было позже подтверждено находкой на о.Ява останков питекантропа.

Геккель разработал теорию происхождения многоклеточных (теория гаструлы) (1866), сформулировал биогенетический закон, согласно которому в индивидуальном развитии организма как бы воспроизводятся основные этапы его эволюции, построил первое генеалогическое древо животного царства. 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; рус. перевод 1899).

После 1891 Геккель целиком уходит в разработку философских аспектов эволюционной теории. Он становится страстным апологетом «монизма» – научно-философской теории, призванной, по его мнению, заменить религию, основывает «Лигу монистов». Взгляды Геккеля выражены в книгах Мировые загадки (Weltrthsel, 1899; рус. перевод 1937) и Чудо жизни (Lebenswunder, 1914). Умер Геккель в Йене 9 августа 1919.