Fue uno de los primeros científicos alemanes que aceptó la doctrina evolucionista de Darwin, y la defendió apasionadamente. Su fama entre el gran público se debió especialmente a sus obras de vulgarización científica.
Basándose en una serie de fenómenos descritos parcialmente con anterioridad, enunció la ley biogenética fundamental o teoría de la recapitulación, según la cual "la ontogenia es una corta recapitulación de la filogenia", es decir, que el desarrollo del individuo es compendio y resumen del desarrollo de la especie a que pertenece (significa esto que en su desarrollo embriogenético el individuo viviente vuelve a recorrer con rapidez y de manera esquemática las etapas de la evolución de los seres vivos).
De esta generalización extrajo la teoría de la gástrea , según la cual, dentro del reino animal dividido en seres unicelulares y pluricelulares, el predecesor común de los pluricelulares es la "hipótesis gástrea" o "gástrula". Sus leyes fueron consideradas la prueba básica de las teorías evolucionistas y dominaron toda la biología de finales del siglo XIX. Sostenía Haeckel, entre otros puntos de vista, la generación espontánea a partir de compuestos orgánicos, y el origen del hombre a partir de los simios antropomorfos.
Nació en Potsdam. Aunque educado en un ambiente luterano, su pensamiento fue evolucionando hacia un monismo materialista basado en el evolucionismo. Estudió medicina y ciencias naturales en Wurzburgo (donde tuvo como maestros a R. Virchow y a A. Kolliker) y en Berlín (bajo la dirección de S. M,ller). Obtuvo el doctorado en 1857.
Tras un año de práctica médica retornó al estudio de la anatomía, embriología y fisiología comparadas, y, para ampliar su ya vasta cultura, llevó a cabo numerosos viajes por Francia, Italia e Inglaterra. En este último país conoció a Darwin , de quien llegó a ser ardiente partidario, y a quien llamó "el Newton del mundo orgánico".
En 1862 enseñó anatomía comparada en la universidad de Jena; en 1865 se creó especialmente para él la cátedra de Zoología que sirvió hasta 1909. En 1866 publicó Morfología general de los organismos , donde "estudia y profundiza los recientes descubrimientos de la embriología y obtiene "del caos de las formas embrionarias algunos esquemas muy simples que proporcionaron al darwinismo varios ejemplos anatómicos de los cuales tenía la mayor necesidad". Este texto ejerció profunda influencia en los científicos y fue denominado "la Biblia del darwinismo".
Viajó por Europa, Asia Menor y África procurando la localización del "pitecántropo" (vínculo entre el simio y el hombre) y de un hipotético animal primitivo que denominaba "monera" y suponía procedente de la materia inerte.
De 1873 es el texto Estudios sobre la teoría de la gástrula , en que formula la hipótesis que presenta el animal-estómago (gástraea) como forma primitiva fundamental de todos los animales pluricelulares. Falleció en Jena.