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.

Геккель Э. Трансформизм и дарвинизм. СПб, 1900
Геккель Э. Бог в природе. СПб, 1906
Геккель Э. Красота форм в природе. СПб, 1907
Геккель Э. Чудеса жизни. СПб, 1908
Геккель Э. Естественная история миротворения. СПб, 1914
Геккель Э. Мировые загадки. Популярные очерки монистической философии. М., 1935
Геккель Э., Мюллер Ф. Основной биогенетический закон. М. – Л., 1940