W sierpniu 1841 Helmholtz zachorował na tyfus i spędził pięć tygodni w szpitalu. Zaoszczędził wtedy wystarczającą ilość pieniędzy, żeby kupić własny mikroskop. Studiował połączenia nerwowe komórek nerwowych z aksonami, co było tematem jego pracy doktorskiej (pierwszym, który zauważył, że aksony są częścią komórki nerwowej był polsko-niemiecki uczony Robert Remak, inny student Müllera). Jesienią 1842 roku Helmholtz ukończył doktorat.
W październiku 1842 roku przeniósł się do szpitala Charité w Berlinie, gdzie mieszkał przez rok. W październiku 1843 ukończył praktykę medyczną i otrzymał posadę chirurga Królewskich Huzarów w Poczdamie, dzięki czemu miał czas na badania naukowe.
Pracował w Królewcu i Bonn. Był profesorem na Uniwersytecie w Heidelbergu i Uniwersytecie Fryderyka Wilhelma w Berlinie.
Z okazji 70. urodzin w 1891 został doktorem honorowym Uniwersytetu Odeskiego. W latach 1892–1894 był członkiem honorowym Poznańskiego Towarzystwa Przyjaciół NaukBolesław Erzepki, Spis członków Towarzystwa Przyjaciół Nauk w Poznaniu, Poznań 1896, s. 2..
Z jego nazwiskiem związana jest Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.