Nascido em Potsdam, Alemanha, onde seu pai era professor no Gymnasium (na Europa, um liceu preparatório para a universidade), Helmholtz de início foi educado em casa por causa de sua saúde delicada. Aos dezessete anos, ingressou num instituto médico de Berlim em que não se cobravam anuidades de quem se dispusesse a ser cirurgião do exército depois da graduação. Helmholtz serviu por sete anos, período durante o qual prossegui com seus estudos de matemática e física e publicou vários artigos. Apresentou uma tese sobre a indestrutibilidade da energia, na qual formulou matematicamente a lei da conservação de energia. Quando deixou o exército, aceitou o cargo de professor-associado de fisiologia da Universidade de Königsberg. Nos trinta anos seguintes, exerceu funções acadêmicas no campo de fisiologia em universidades de Bonn e Heidelberg e, no da física, em Berlim.
Dotado de tremenda energia, Helmholtz escrevia acerca de várias áreas diferentes. No curso de seu trabalho sobre óptica fisiológica, inventou o oftalmoscópio, um aparelho para examinar a retina do olho. Seu trabalho em três volumes nessa área (Handbuch der Physiologischen Optik – Manual de Óptica Fisiológica), publicado entre 1856 e 1866, foi tão influente e duradouro que veio a ser traduzido para o inglês sessenta anos mais tarde. Publicou suas pesquisas sobre problemas acústicos em 1863, na obra Sobre as Sensações Tonais, que resumia suas próprias descobertas e toda a literatura disponível na época. Ele também publicou outras obras sobre tópicos tão diversos quanto as pós-imagens, a acromatopsia, a escala musical arábico-persa, os movimentos oculares humanos, a formação de geleiras, axiomas geométricos e a febre do feno. Anos mais tarde, contribuiu indiretamente para a invenção da telegrafia sem fio e do radio.
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