Αν και ο Γκαίτε είναι γνωστός για τη συμβολή του στη λογοτεχνία υπήρχαν περίοδοι στη ζωή του στις οποίες απορροφήθηκε πλήρως από το επιστημονικό έργο.
Στη διάρκεια της παραμονής του στη Βαϊμάρη και ενώ ήταν στην ηλικία των 34 ετών εντυπωσιασμένος τη μορφολογική ομοιότητα των οργάνων που ανήκουν σε οργανισμούς διαφορετικού είδους διετύπωσε την άποψη ότι όργανα αυτά δημιουργούνται με βάση ένα κοινό πρότυπο και συνέλαβε την ιδέα της ενότητας και της συνέχειας στη φύση. Η ιδέα μάλιστα αυτή που διατυπώθηκε 70 χρόνια πριν τη διατύπωση της θεωρίας της Εξέλιξης ήταν ο λόγος για τον οποίο ο Κάρολος Δαρβίνος τον τοποθέτησε ανάμεσα στους προδρόμους της εξελικτικής σκέψης στον πρόλογο της "Προέλευσης των Ειδών".
Το 1784 ο Γκαίτε ανακάλυψε την ύπαρξη του μη διακρινόμενου (λόγω της απώθησής του στο πρόσθιο τμήμα των άνω γνάθων και της συνοστέωσής του με αυτά) μεσογνάθιου οστού στον άνθρωπο. Η ύπαρξη του οστού αυτού στον πίθηκο προβλήθηκε από τον Γκαίτε ως επιχείρημα στην υποστήριξη της ιδέας του για τη συνέχεια και την ενότητα στη φύση.
Το 1790 στο δοκίμιό του: "Απόπειρα ερμηνείας της μεταμόρφωσης των φυτών" διετύπωσε την άποψη ότι όλα τα μέρη του φυτού αποτελούν μεταμορφωμένα φύλλα και επίσης υποστήριξε την ιδέα της ύπαρξης ενός "πρωταρχικού φυτού" από το οποίο προήλθαν όλα τα άλλα. Στο βιβλίο του γράφει:
"Οποιοσδήποτε παρατηρήσει, ακόμη και επιφανειακά την ανάπτυξη των φυτών θα σημειώσει ότι συγκεκριμένα εξωτερικά μέρη του φυτού μετασχηματίζονται κατά διαστήματα ώστε να αποκτήσουν τη μορφή παρακείμενων μερών, άλλοτε ολότελα, άλλοτε σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό. Έτσι για παράδειγμα το απλό φύλλο μπορεί να μετασχηματιστεί σε διπλό, αν αντί για τους στήμονες , αναπτυχθούν τα πέταλα τα οποία είτε μοιάζουν ακριβώς με τα άλλα πέταλα της κορώνας στη μορφή και το χρώμα, είτε όχι, διατηρούν ακόμη τα ορατά σημάδια της προέλευσής τους."
Η μελέτη της συγκριτικής ανατομίας τον οδήγησε να εισηγηθεί το 1790 έναν νέο κλάδο των επιστημών της Φύσης, τον κλάδο της Μορφολογίας. Σε μια πραγματεία του το 1795 ορίζει τη Μορφολογία ως "αυτοτελή επιστήμη και βοηθητική της Φυσιολογίας που πρέπει να περιλαμβάνει τη διδασκαλία περί της μορφής, του σχηματισμού και του μετασχηματισμού των οργανικών σωμάτων".
Σε πραγματείες, επιστολές και διαλέξεις και επίσης στα βιβλία του για τη μεταμόρφωση των φυτών και τη θεωρία των χρωμάτων αναπτύσσει τις ιδέες του για την επιστήμη και καταφέρεται εναντίον της μηχανιστικής θεώρησης του κόσμου που είχε επιβάλλει η νευτώνεια Φυσική.
Με φράσεις του όπως οι ακόλουθες:
"Τα φυσικά αντικείμενα πρέπει να γίνεται η προσπάθεια να κατανοούνται και να μελετώνται όπως στην πραγματικότητα είναι και όχι όπως διευκολύνουν τον παρατηρητή τους να είναι.."
ή
"Αντιλαμβανόμαστε κάθε μεμονωμένο ζώο ως ένα μικρό κόσμο που υπάρχει για να εξυπηρετεί τη δική του σκοπιμότητα με τα δικά του μέσα. Κάθε δημιούργημα έχει δικό του λόγο ύπαρξης. Όλα τα μέρη του έχουν μια άμεση επίδραση το ένα στο άλλο, μια σχέση το ένα με το άλλο,... έτσι ώστε δικαιολογημένα να το μελετούμε ως ενιαίο από την άποψη της Φυσιολογίας",
και ακόμα στο κείμενό του: "Για το πείραμα ως ενδιάμεσο του υποκειμένου και του αντικειμένου":
"Δεν μπορούμε ποτέ να είμαστε πάρα πολύ προσεκτικοί στην προσπάθειά μας να αποφύγουμε εσπευσμένα συμπεράσματα από τα πειράματα ή να είμαστε πάρα πολύ προσεκτικοί στην άμεση χρησιμοποίηση αυτών των συμπερασμάτων προκειμένου να επιβεβαιώσουμε κάποια θεωρία. Γιατί κατά τη μετάβαση από τα εμπειρικά στοιχεία στην κρίση, από την γνώση στην εφαρμογή, όλοι οι εσωτερικοί εχθροί του ανθρώπου καιροφυλακτούν: Η φαντασία που τον ανυψώνει πριν καταλάβει ότι τα πόδια του έχουν εγκαταλείψει το έδαφος, η ανυπομονησία, η βιασύνη, η αυτοϊκανοποίηση, η ακαμψία, η φορμαλιστική σκέψη, η προκατάληψη, η επιπολαιότητα, η αναξιοπιστία, όλο αυτό το συνονθύλευμα και η ακολουθία του, βρίσκονται εδώ και ενεδρεύουν εκπλήσσοντας όχι μόνο τον ενεργό παρατηρητή αλλά και τον στοχαστικό παρατηρητή που φαίνεται ασφαλής από όλο αυτό το πάθος"
εισάγει την ολιστική αντίληψη για τη μελέτη της Φύσης, ασκεί κριτική στο διαφαινόμενο αναγωγισμό και επισημαίνει τη θεωρητική σκέψη που βρίσκεται πίσω και από την πιο απλή παρατήρηση.
Στις μέρες του η επιστημονική εργασία του Γκαίτε υποτιμήθηκε καθώς ήταν ξένη προς το ποσοτικό μηχανιστικό πρότυπο που δέσποζε για τη μελέτη της Φύσης και αντί της αποστασιοποιημένης προσέγγισης του αντικειμένου από τον ερευνητή του, υπογράμμιζε την άμεση "συνομιλία" του με αυτόν. Η εργασία του αντιμετωπίστηκε ως προϊόν μιας καλλιτεχνικής φύσης που προσπάθησε να ερμηνεύσει τα φαινόμενα της Φύσης με ένα είδος φιλοσοφικού ιδεαλισμού.
Μετά όμως την εμφάνιση της φαινομενολογίας στον 20ο αιώνα, δηλαδή της προσπάθειας να απαλλαχτεί ή ερμηνεία των φαινομένων, από τις προϊδεάσεις του μελετητή τους, φαίνεται ότι η πρόβλεψη του Γκαίτε ότι "κάποια μέρα οι επιστημονικές μελέτες μου, παρά το λογοτεχνικό έργο μου, θα αναγνωριστεί ως η μεγαλύτερη συνεισφορά μου στην ανθρωπότητα" αρχίζει να επιβεβαιώνεται.