Al igual que Darwin haría treinta años más tarde, Humboldt realizó viajes de exploración científica por buena parte del mundo. El resultado de ese periplo fue el acopio de ingentes cantidades de datos sobre el clima, la flora y la fauna de las regiones que recorrió -América, Europa, Asia-, así como la medición de longitudes y latitudes, medidas del campo magnético terrestre y unas completas estadísticas de las condiciones sociales y económicas de las distintas sociedades que visitó. De entre los hallazgos científicos derivados de sus expediciones, cabe citar el estudio de la corriente oceánica de la costa oeste de Sudamérica, un novedoso sistema de representación climatológica en forma de isobaras e isotermas, los estudios comparativos entre condiciones climáticas y ecológicas geográficamente distantes, la elaboración de la primera representación gráfica de la medición transversal de altitudes para grandes masas de tierra, el descubrimiento del ecuador magnético, y sus conclusiones sobre el vulcanismo y su relación con la evolución de la corteza terrestre.
Como producto de su gran cosecha científica, la Alemania de mediados del siglo XIX se convirtió en el país donde más estudios biológicos se realizaban. Humboldt abrió también líneas culturales e históricas de investigación. Sacudió a Europa al asegurar que las civilizaciones precolombinas -los "pueblos primitivos", como se los llamaba allí- habían sido civilizaciones avanzadas, y teorizó sobre los contactos transoceánicos de diversos pueblos, en particular entre Asia y América, en épocas pretéritas. A partir de este tipo de "observaciones pensantes" -como él las llamaba- desarrolló uno de sus más grandes descubrimientos: el reconocimiento de que las características similares de los estratos geológicos, en cualquier parte del mundo que se les encuentre, provenían todas de un mismo proceso formativo y compartían rasgos comunes. La visión que tenía Humboldt de la naturaleza era la de un organismo vivo, en constante movimiento y en una interacción continua de fuerzas.
"Kosmos. Entwurf einer physischen Weltbeschreibung" (Cosmos. Ensayo de una descripción física del Universo), su obra cumbre, representa una síntesis filosófica de todos los conocimientos de su tiempo. Programada en cinco volúmenes, alcanzó a publicar en vida cuatro de ellos, mientras que el último, inconcluso, se publicó póstumamente. Allí escribió: "La naturaleza considerada de manera racional, es decir, sometida al proceso del pensamiento, es una unidad en la diversidad de los fenómenos; una armonía que reúne a todas las cosas creadas, no importa que tan distintas en forma y atributos sean; un gran todo animado por el aliento de la vida. El resultado más importante de una investigación racional de la naturaleza es, por tanto, el establecer la unidad y armonía de esta estupenda masa de fuerza y materia". Y en otro párrafo: "Al sostener que la raza humana es una, nos oponemos al desagradable supuesto de que hay razas superiores e inferiores. Algunos pueblos tienen mayor acceso a la educación y al ennoblecimiento cultural que otros, pero no hay razas inferiores. Todas están predestinadas por igual a alcanzar la libertad".
En tanto que nos atuvimos a los extremos en las variaciones del color y del rostro, y que nos dejamos influir por la vivacidad de las primeras impresiones, fuimos llevados a considerar las razas no como simples variedades sino como troncos humanos, originariamente distintos. La permanencia de ciertos tipos, a pesar de las influencias más contrarias de las causas exteriores, sobre todo del clima, parecía favorecer esa manera de ver, por muy cortos que sean los períodos de tiempo cuyo conocimiento histórico nos ha llegado. Pero, en mi opinión, razones más poderosas militan en favor de la unidad de la especie humana, a saber, las numerosas gradaciones del color de la piel y de la estructura del cráneo, que los progresos rápidos de la ciencia geográfica han hecho conocer en los tiempos modernos; la analogía que siguen, alterándose, otras clases de animales, tanto salvajes como domésticos; las observaciones positivas que se han recogido sobre los límites prescritos a la fecundidad de los mestizos. La mayor parte de los contrastes que tanto sorprendían en otro tiempo se han desvanecido ante el trabajo penetrante de Dietrich Tiedemann sobre el cerebro de los negros y de los europeos, ante las investigaciones anatómicas de Willem Vrolik y de Martin Weber sobre la configuración de la pelvis. Si se observa en su generalidad a las naciones africanas de color obscuro, sobre las cuales la obra capital de James Prichard ha derramado tanta luz, y se comparan con las tribus del archipiélago de las Indias y de las islas de la Australia occidental, con los papúes y alfurúes (harafures, endomenes), se descubre claramente que el tinte negro de la piel, los cabellos ensortijados y los rasgos de la fisonomía negra están lejos de hallarse siempre asociados. En tanto que una escasa parte de la tierra estaba descubierta para los pueblos de Occidente, dominaron entre ellos puntos de vista exclusivos. El calor abrasador de los trópicos y el color negro de la tez parecían inseparables. "Los etíopes -cantaba el antiguo poeta trágico Teodectes de Faselis- deben al dios sol, que se acerca a ellos en su carrera, el sombrío brillo del hollín que colorea sus cuerpos". Fueron menester las conquistas de Alejandro, que despertaron tantas ideas de geografía física, para provocar el debate relativo a esa problemática influencia de los climas sobre las razas de hombres. "Las familias de los animales y de las plantas -dice uno de los más grandes anatomistas de nuestra edad, Johannes Müller, en su 'Fisiología del hombre'- se modifican durante su propagación sobre la superficie de la tierra, entre los límites que determinan las especies y los géneros. Esas familias se perpetúan orgánicamente como tipos de la variación de las especies. Del concurso de diferentes causas, de diferentes condiciones, tanto interiores como exteriores, se han originado las razas presentes de los animales; y sus variedades más sorprendentes se encuentran en los que comparten la facultad de aumento más considerable sobre la tierra. Las razas humanas son las formas de una especie única, que se acoplan permaneciendo fecundas, y se perpetúan por la generación. No son las especies de un género, porque si lo fueran, al cruzarse se volverían estériles. Saber si las razas de hombres existentes descienden de uno o de varios hombres primitivos, es cosa que no se podría descubrir por la experiencia".