Філогенез — це історичний розвиток як усього живого загалом, так і окремих груп (видів, родів, родин і т. д. до царств включно). Для визначення філогенезу певної групи він запропонував метод потрійного паралелізму: зіставлення даних палеонтології, порівняльних анатомії та ембріології (онтогенезу).
Дослідження решток викопних організмів та порівняння їх із сучасними видами, а також порівняння будови сучасних видів між собою дають змогу виявити певні відміни між ними, а також встановити напрями історичних змін як окремих рис будови, так і типу організації в цілому. Таким чином, викопні й сучасні форми ніби зв'язуються в єдиний філогенетичний ряд - послідовність історичних змін організмів у цілому чи їхніх окремих органів у межах певної систематичної групи (наприклад, послідовність еволюційних змін черепа і кінцівок у предків коней).
Біогенетичний закон, відкритий Геккелем, показує зв'язок між філогенезом та онтогенезом: індивідуальний розвиток (онтогенез) будь-якого організму - це вкорочене і стисле повторення історичного розвитку (філогенезу) даного виду. На прикладі багатоклітинних тварин він довів наявність однакових початкових фаз ембріонального розвитку (яйце, бластула, гаструла), що свідчить про їхнє спільне походження. Наприклад, на відповідних фазах у ембріонів різних класів хребетних є стадії розвитку зябрових щілин. Це свідчить про походження наземних хребетних від рибоподібних предків.
Для пояснення походження кількох видів-нащадків від спільних предків, Ч.Дарвін ввів поняття дивергенції— явище розходження ознак у нащадків як наслідок пристосувань особин предкового виду до різних умов довкілля. Геккель дійшов висновку, що всі нащадки певного виду, які виникли завдяки дивергенції, мають єдине походження (тобто монофілетичні). Він запропонував принципи побудови природної (філогенетичної) класифікації, яка ґрунтується на походженні від спільного предка, розробив спосіб графічного зображення філогенезу у вигляді філогенетичних дерев, або дендрограм, а також побудував перші філогенетичні схеми розвитку живих організмів.
