Estudià medicina a Berlín i es doctorà el 1842. Els seus interessos, però, anaven més enllà i també estudià filosofia, matemàtiques i física. Després de treballar com a metge a l’exèrcit prussià (1843-48), començà a impartir classes a la Universitat de Königsberg. Al llarg de la seva vida també exercí la docència en altres universitats, com ara les de Bonn, Heidelberg i Berlín. El 1887 fundà a Berlín un institut dedicat a la recerca científica, el Physikalisch-Technische Reichsanstalt. Les investigacions de Helmholtz cobrien camps molt variats, però es convertí en una personalitat en el terreny de l’acústica, especialment en l’estudi de la música com a fenomen físic. Entre els seus invents hi ha un microscopi per a estudiar els patrons de les ones sonores. La part més important dels resultats de les seves investigacions es troba en el llibre Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Music ('La doctrina del so musical com a base fisiològica de la teoria de la música'), publicat a Brunsvic el 1863.