Bản mẫu:Các mốc thời gian của nhiệt động lực học

Công trình khoa học quan trọng đầu tiên của ông, một luận án vật lý về sự bảo toàn năng lượng viết 1847 được viết ra trong bối cảnh nghiên cứu về y học và triết học của ông. Ông khám phá ra quy luật bảo toàn năng lượng khi nghiên cứu về sự trao đổi chất của cơ bắp. Ông cố gắng diễn đạt rằng không có sự mất đi của năng lượng trong sự chuyển động của cơ bắp, bắt nguồn từ suy luận là không cần một "lực sống" nào để lay chuyển cơ bắp. Đây là sự phủ nhận phỏng đoán truyền thống của Naturphilosophie mà vào thời điểm đó là một triết lý khá phổ biến trong ngành sinh lý học Đức.

Dựa trên các công trình trước đó của Sadi Carnot, Émile Clapeyron và James Prescott Joule, ông tiên đoán một mối quan hệ giữa cơ học, nhiệt, ánh sáng, điện và từ trường bằng cách xem tất cả chúng như là sự biểu diễn của "lực" (năng lượng trong ngôn ngữ hiện đại) duy nhất. Ông xuất bản các ý tưởng của mình trong cuốn sách tựa đề Über die Erhaltung der Kraft (Về sự bảo toàn của Lực) năm 1847.

Helmholtz được nghĩ là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về cái chết nóng của vũ trụ vào năm 1854.