Научная деятельность Мюллера была очень разносторонней: он занимался анатомией, физиологией, эмбриологией, сравнительной анатомией, гистологией, палеонтологией. Основные его труды посвящены изучению центральной нервной системы (главным образом рефлекторной деятельности спинного и продолговатого мозга) и органов чувств. Он провел ценные наблюдения над органами зрения и над симпатической нервной системой беспозвоночных, выполнил ряд исследований по систематике рыб, земноводных, птиц. В области физиологии органов чувств Мюллер придерживался концепции так называемой «специфической энергии», согласно которой ощущения, возникающие у человека при познании внешнего мира, являются не отражением объективно существующей реальности, а проявлением внутренних свойств самих органов чувств. Несостоятельность этих взглядов была доказана работами русского физиолога И.М.Сеченова.
В своих исследованиях Мюллер широко применял микроскоп. С его помощью он изучил микроскопическое строение соединительной, хрящевой, костной тканей, ткани почек в норме и патологии. Известны его капитальные труды о тонком строении и формах опухолей. Мюллер впервые попытался создать классификацию новообразований на основе сопоставления структуры опухолей и их развития.
Мюллер подробно описал человеческий зародыш на ранних стадиях развития, исследовал процесс его дыхания, открыл зародышевые ходы, которые позже в его честь были названы «мюллеровыми протоками». Он является автором известного Учебника по физиологии человека (Handbuch der Physiologie des Menschen, 1834–1840), который выдержал несколько изданий. В нем впервые физиология представлена как экспериментальная наука.
Умер Мюллер в Берлине 28 апреля 1858.
История биологии. С древнейших времен до начала XX века. М., 1972