De 1842 a 1847 se descubre la ley de conservación de la energía. Primero, en 1842, Meyer descubrió la ley de conservación de la energía y midió el equivalente mecánico del calor. Posteriormente, Joule y Helmholtz descubrieron de forma independiente la ley de conservación de la energía en 1843 y 1847 respectivamente. Helmholtz también estudió el fenómeno térmico de la acción muscular mediante experimentos y publicó un artículo "Sobre el consumo de material en la acción muscular". A través de esta serie de preparativos teóricos y experimentales, pronunció una conferencia titulada "Sobre la conservación de la fuerza" en la Sociedad de Física de Berlín el 23 de julio de 1847. Formuló la ley de conservación de la energía no sólo experimentalmente sino también teóricamente y dio pruebas convincentes. Helmholtz amplió el alcance de aplicación de la ley de conservación de la energía para que no se limitara a la energía mecánica y la energía térmica, además, también señaló la universalidad de esta ley: todos los procesos, incluidos la fuerza, el calor, la electricidad y la fisiología; obedecer la ley de conservación de la energía.
Desde que Helmholtz asistió a la facultad de medicina de la Universidad, muchos de los resultados de sus investigaciones durante su vida fueron producto de una combinación de física y fisiología. Fue pionero en el campo de la física musical y publicó muchos artículos en este campo, como "Sobre la combinación de sonidos" (1856), "Sobre las causas físicas de los intervalos armónicos y disonantes" (1858) y "Sobre la calidad tonal de las vocales". (1859), "Sobre la vibración de tubos abiertos".
Li Zhengdao comentó una vez sobre Helmholtz: Física y música * * *, ondas sonoras y sinfonía científica. Helmholtz realmente combinó de manera estrecha y orgánica el arte y la ciencia, la música y la física con el cerebro del científico y el corazón del artista.