Стремясь объяснить индивидуальные особенности людей, Гальтон ввел в психологию и антропологию понятие наследственности. Проанализировал ряд биографий выдающихся людей, пытаясь выяснить степени их родства. Из этих исследований сделал вывод, что интеллектуальные способности в значительной степени определяются наследственными факторами. Результаты исследований изложены в книге Наследование таланта (Hereditary Genius, 1869), заложившей основы дифференциальной психологии. Для измерения психофизических различий Гальтон сконструировал специальные приборы (ультразвуковой свисток, позволяющий определять слуховую чувствительность и др.). Разработал приемы определения способностей, послужившие основой системы тестов, предложил методы статистической обработки данных, в частности метод определения корреляций между измеряемыми величинами.

В работе Исследования человеческих способностей (Inquiries into Human Faculty, 1883) Гальтон предложил термин «евгеника» для обозначения теории наследственности, здоровья человека и путях улучшения человеческого рода. В последние десять лет жизни ученого евгеника была главным предметом его интересов. В этот период была основана Гальтоновская лаборатория в Юниверсити-колледже в Лондоне и учреждена стипендия его имени. В 1908 в Лондоне было создано Евгеническое образовательное общество (ныне Евгеническое общество), первым почетным президентом которого стал Гальтон. С 1849 по 1910 ученый опубликовал более 200 статей по самому широкому кругу вопросов. В 1909 был возведен в рыцарское достоинство. Умер Гальтон в Хейзлмире (графство Суррей) 17 января 1911.