Его исследовательские интересы были связаны со сравнительной анатомией и возможностями её эволюционной интерпретации. Наиболее известны его дебаты с Ричардом Оуэном по вопросу о степени анатомической близости человекообразных обезьян и человека (иллюстрация с фронтисписа его работы о месте человека в природе на долгие годы стала популярным символом дарвиновской теории и прототипом для многих подобных иллюстраций и карикатур). Томас Хаксли отстаивал независимость профессиональной науки, построенной на принципах материализма. Для описания своего отношения к господствовавшим в его время религиозным верованиям, он ввёл термин агностицизм.
Хаксли был основателем целой династии выдающихся английских учёных и деятелей культуры. Его внуками были писатель Олдос Хаксли, сэр Джулиан Хаксли (известный биолог-эволюционист, первый генеральный директор ЮНЕСКО и основатель Всемирного фонда дикой природы), и сэр Эндрю Хаксли (физиолог и Нобелевский лауреат).