В молодости, начиная с 1852 года, изучал медицину и естествознание в Берлинском, Вюрцбургском и Венском университетах. В 1858 году сдал экзамен и получил диплом врача, хотя медицинской практикой позже он никогда не занимался. В это время более всего его интересуют исследования живой природы, в первую очередь зоология и сравнительная микроскопическая анатомия. В 1859 году Геккель участвовал в научной экспедиции в Италию, во время которой во Флоренции он приобрёл мощный микроскоп в мастерской известного натуралиста и оптика Амичи. Во время итальянской поезди Геккель знакомится с Германом Аллмерсом, чьи взгляды произвели на Геккеля неизгладимое впечатление. Этим же летом он пишет в письме:
Вскоре Геккель занялся изучением морского планктона в Мессинском проливе. Исследования велись в течение шести месяцев с помощью нового микроскопа. В результате было обнаружено 120 новых видов радиолярий. Данное направление исследований стало для него одним из основных до конца жизни. Во времена Геккеля было известно несколько сотен видов радиолярий, в современной науке известно более 5000. Эрнст Геккель представил доклад по теме радиолярий в 1860 году, на тридцать пятом съезде Общества немецких естествоиспытателей и врачей. В 1862 году, в возрасте двадцати восьми лет, Геккель был назначен адъюнкт-профессором, позже приват-доцентом в университете Йены.
С 1865 по 1909 годы Геккель был профессором Йенского университета.
Сильнейшее воздействие на Геккеля оказали дарвиновские идеи. В 1863 он выступил с публичной речью о дарвинизме на заседании Немецкого научного общества, а в 1866 вышла его книга «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»). Спустя два года появилась «Естественная история миротворения» («Nat?rliche Sch?pfungsgeschichte»; рус. перевод 1914), где развиваемый им эволюционный подход излагался в более популярной форме, а в 1874 Геккель опубликовал работу «Антропогения», или «История развития человека» («Anthropogenie», или «Entwickelungsgeschichte des Menschen»; русский перевод 1919 года), в которой обсуждались проблемы эволюции человека. Ему принадлежит мысль о существовании в историческом прошлом формы, промежуточной между обезьяной и человеком, что до сих пор не подтверждено.
Геккель разработал теорию происхождения многоклеточных (так называемая теория гастреи) (1866), сформулировал биогенетический закон, согласно которому в индивидуальном развитии организма как бы воспроизводятся основные этапы его эволюции, построил первое генеалогическое древо животного царства.
Теория гастреи принесла ему известность и признавалась большинством учёных до сравнительно недавнего времени. В настоящее время эволюционисты, наряду с теорией гаструлы, рассматривают как хорошо обоснованную теорию фагоцителлы, предложенную И. И. Мечниковым в 1879-86 гг., а также теорию синзооспоры и первичной седентарности многоклеточных, разработанную А. А. Захваткиным, и другие.
Продолжая свои зоологические исследования в лаборатории и в ходе экспедиций на остров Мадейра, на Цейлон, в Египет и Алжир, Геккель публикует монографии по радиоляриям, глубоководным медузам, сифонофорам, глубоководным рыбам-удильщикам, а также свой последний систематический труд — внушительную «Систематическую филогению» («Systematische Philogenie», 1894—1896; русский перевод 1899 года).
Для зоологических исследований предпринимал поездки на Гельголанд и в Ниццу, работал в Неаполе и Мессине. Путешествовал в Лиссабон, на Мадейру, Тенерифе, Гибралтар, в Норвегию, Сирию и Египет, на Корсику, Сардинию и Цейлон. Геккель был одним из первых германских зоологов, поддержавших теорию Дарвина. Опираясь на эту теорию и на данные эмбриологии, Геккель сделал попытку дать рациональную систему животного царства, основанную на филогенезе животных. Особенное внимание обратил Геккель на важное значение истории развития индивидуального, или онтогения, для вопроса о происхождении самого вида или его филогении. Исходной точкой для взглядов Геккеля послужила стадия эмбрионального развития, названная Геккелем гаструлой. Геккель полагал, что эта стадия повторяет собой общего прародителя всех животных. Этого предполагаемого прародителя Геккель назвал гастреей и старался объяснить, каким образом из неё развились различные типы животного царства. Учение о гастрее позднее было признано ошибочным.
Геккель представил генеалогию растительного царства, начиная от самых простейших форм, протистов, до сростнолепестных, считаемых за самые развитые и совершенные формы.
Широко известны рисунки Геккеля, использованные им во многих работах, в том числе в Anthropogenie oder Entwickelungsgeschichte des Menschen (1874, Engelmann, Leipzig). Эти рисунки иллюстрируют Биогенетический закон, сформулированный Мюллером в 1864 году и затем переформулированный Геккелем в 1866 году в виде «Онтогенез есть рекапитуляция филогенеза». На данных рисунках изображены зародыши восьми видов позвоночных на ранних стадиях развития. Иллюстрации подтверждают тезис о том, что развитие зародыша повторяет стадии развития предков.
В 1997 году в журнале Anatomy and Embryology была опубликована статья, в которой группа исследователей, изучив подробно рисунки Геккеля и сопоставив их с современными фотографиями эмбрионов тех же животных на тех же стадиях развития, пришла к выводу о том, что рисунки Геккеля не содержат многих важных деталей. Рисунки Геккеля были названы фальсифицированными и в обзоре по материалам этой статьи в журнале «Science».
В 2003 году в журнале Biol Philos была опубликована статья, в которой работа Richardson et al в Anatomy and Embryology охарактеризована как основанная на фотографиях, вводящих в заблуждение (англ. founded on highly misleading photography). В работе Josiah Batten приводится цитата Геккеля, в которой последний указывает на тот факт, что большая часть рисунков и схем, используемых при обучении, содержат ошибки.
После 1891 Геккель целиком уходит в разработку философских аспектов эволюционной теории. Он становится страстным апологетом «монизма» — научно-философской теории, призванной, по его мнению, заменить религию, основывает «Лигу монистов». Взгляды Геккеля выражены в книгах «Мировые загадки» («Weltr?thsel», 1899; русский перевод 1937) и «Чудо жизни» («Lebenswunder», 1914).
В 1894 году награждён почетной Медалью Карла Линнея за продолжение линнеевских традиций в современной биологии.
В 1900 году — Медалью Дарвина.