Und er ging noch weiter. Um 1850 publizierte der Wissenschaftler auch seine Ergebnisse beim Messen der Nervenleitungsgeschwindigkeit. Damals hatte man angenommen, dass die Nervenimpulse so schnell weitertransportiert werden, wie das Licht fliegt und man sie deshalb nicht messen kann. Mit seinen Experimenten widerlegte Helmholtz diese Annahme: Nerven leiten Signale viel langsamer, als die Geschwindigkeit des Lichts beträgt, sodass man das Tempo der Reizweiterleitung durchaus messen kann. Erst dadurch wurden Experimente zur Reaktionszeit möglich. Auch Neurologen und Psychologen sehen Helmholtz als einen der Modernisierer ihrer Disziplin an.
Da Physik damals als brotlose Kunst galt, hatte Helmholtz aufgrund des dringenden Rates seiner Eltern auch Medizin studiert. Das Wissen aus beiden Welten floss in seine Erfindungen ein. In der Medizin galt sein besonderes Interesse neben der Augenheilkunde vor allem der Physiologie. 1851 erhielt er als Dreißigjähriger eine Professur für Physiologie in Königsberg. Später folgten Berufungen nach Bonn und Heidelberg, jeweils im Fach Medizin. Zur Physik wechselte er 1871, als er den Ruf für den Physik-Lehrstuhl an der Friedrich-Wilhelms-Universität, der heutigen Humboldt-Universität, in Berlin annahm. Inzwischen war er ein so bekannter und renommierter Forscher, dass er in den Adelsstand versetzt wurde und von da an das »von« vor seinem Namen tragen durfte. In Analogie zum Reichskanzler Bismarck nannte man ihn den »Reichskanzler der Physik«.
In Berlin ging Helmholtz über die Grenzen einzelner Wissenschaftsdisziplinen hinaus und suchte nach allgemeinen, übergeordneten Gesetzen und stringenten Konzepten. Er zeigte, dass Energie nicht erzeugt und auch nicht vernichtet werden kann, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt wird. Hermann von Helmholtz fasste das Prinzip der Energieerhaltung in eine klar definierte und allgemeingültige Form. Als erster Hauptsatz der Thermodynamik hat sich das Prinzip der Energieerhaltung für sehr viele Bereiche als grundlegend erwiesen, nicht nur in Mechanik und Thermodynamik. Immer auf der Suche nach Erkenntnis, übertrug Helmholtz seine physikalischen Konzepte auf andere Naturerscheinungen und gilt wegen seiner Studien über Wirbelstürme, Gewitter, Luft- und Wasserwellen sowie Gletscher als einer der Gründerväter der modernen Meteorologie.
Auch grundlegenden Fragen wie »Was ist das Leben und woher kommt es?«, ging er nach und hat konsequent physikalische Methoden angewandt, um biologische und physiologische Sachverhalte zu verstehen. Doch alle ihn beschäftigenden wissenschaftlichen Fragestellungen befriedigend zu beantworten, gelang ihm ebenso wenig wie anderen Wissenschaftlern. War eine Frage geklärt, stellte sich auch ihm mindestens eine neue.