Профессор Мюллер поручил своему ассистенту Дюбуа-Реймону разработку темы, которая заинтересовала физиологов с тех пор, как в 1783–1786 годах в трудах Болонской академии появились статьи за подписью Гальвани о лягушках, дергавшихся при раздражении нервов опием. Это была еще не наука, а лишь подражание светским новинкам. Но близился час встречи электричества с нервами.
Посвятив исследованиям влияния электрического тока на нервы несколько лет, Дюбуа-Реймон, вскоре после получения докторской степени, опубликовал в 1843 году труд «Предварительный очерк исследования о так называемом лягушачьем токе и об электромоторных рыбах», посвященный известным электрическим явлениям в живых организмах. Труд этот положил начало современной электрофизиологии. С этого времени вся последующая его жизнь была посвящена вопросам электрофизиологии. Кроме того, Дюбуа-Реймон автор молекулярной теории биопотенциалов.
Широко известен двухтомный труд Дюбуа-Реймона «Исследования по животному электричеству» (1848–1849 гг.). Это была первая попытка оценки работоспособности тканей на основе происходящих в них электрических явлений. В дальнейшем он закладывает основы электрофизиологии, устанавливает ряд закономерностей, характеризующих электрические явления в мышцах и нервах.
Тщательная разработка методических условий, применение усовершенствованного мультипликатора (гальванометра) и неполяризующихся электродов позволили Дюбуа-Реймону установить основные формы биологических явлений в мышцах и нервах: «ток покоя», получаемый при отведении на гальванометр продольной поверхности и поперечного разреза мышцы или нерва и имеющий во внешней цепи направление от продольной поверхности к поперечному разрезу; «отрицательное колебание тока покоя», выражающееся общим уменьшением тока покоя при возбуждении мышцы или нерва.
На основании побочных наблюдений Дюбуа-Реймон правильно предполагал, что отрицательное колебание, а следовательно, и процесс возбуждения имеют прерывистый характер. Ему принадлежит также первая формулировка «закона возбуждения», согласно которому действие электрического тока на возбудимую ткань определяется не абсолютной величиной тока, а скоростью изменения тока во времени. Долгое время это положение считалось всеобщим законом возбуждения. Однако в дальнейшем оказалось, что не только скорость изменения тока, но и сила и направление тока определяют его действие на нерв и мышцу. Разработанная Дюбуа-Реймоном и носящая его имя аппаратура (индукционные аппараты с подвижными вторичными катушками для раздражения нервов и мышц, неполяризующиеся электроды и др.) применяется в физиологических и медицинских лабораториях.
По своему мировоззрению Дюбуа-Реймон был одним из ярких представителей механистического направления. Попытка Дюбуа-Реймона объяснить все функции мозга на основе законов химии и физики привела его к утверждению, что все проявления жизни в живых организмах зависят исключительно от физических и химических явлений. В одном из писем своему другу он писал, что «в организме действуют исключительно физико-химические законы; если с их помощью не все можно объяснить, то необходимо, используя физико-математические методы, либо найти способ их действия, либо принять, что существуют новые силы материи, равные по ценности физико-химическим силам».
Интересовался Дюбуа-Реймон многими отраслями знания и не раз публично высказывал свои взгляды на различные научные вопросы. За ним также водились и рассуждения, ничего общего с наукой не имеющие. Так, на одной из своих лекций, на которой присутствовали И.М. Сеченов, он высказался о человеческих расах. «Длинноголовая раса обладает всеми возможными талантами, а короткоголовая в самом лучшем случае — лишь подражательностью». Иван Михайлович писал в своих автобиографических записках в связи с этим замечанием Дюбуа-Реймона: «Если при этом имелись в виду россияне вообще, то суждение было для немца еще милостиво, потому что в эти годы нам не раз случалось чувствовать, что немцы смотрят на нас как на варваров…»
Не чужд был Дюбуа-Реймон и философии. Во введении к работе «Исследования по животному электричеству», а также в ряде речей он выступал с резкой критикой витализма, он прочитал умирающей жизненной силе блестящую отходную. И это несмотря на то что его любимый учитель Мюллер был одним из сторонников теории о «жизненной силе», которая управляет всеми жизненными отправлениями организма. Но и устои механицизма, в свою очередь, стали колебаться. Дюбуа-Реймон стал признавать, что не все в природе может быть объяснено аналитической механикой, наука не всесильна и не все доступно познанию человека. Ограниченность механистической позиции Дюбуа-Реймона привела его к агностицизму.
