Nel 1851 inventò l'oftalmometro per stabilire il grado di curvatura della cornea e nel 1857 il telestereoscopio. Egli scrisse un'opera monumentale di oltre mille pagine, "Ottica fisiologica", in cui confluirono tutti i suoi risultati sperimentali sull'ottica, che in passato erano stati pubblicati in riviste scientifiche e che corresse più volte fino alla fine della sua vita. Riferimento per numerose generazioni di medici, la stesura era stata suggerita a Helmholtz dal suo amico Gustav Karsten che aveva in idea un'enciclopedia della fisica, di cui l'opera di Helmholtz costituì il nono volume. La prima parte venne pubblicata nel 1856 ed ha come argomento i risultati ottenuti con l'oftalmoscopio. La seconda parte invece venne pubblicata nel 1860, dedicata alle sensazioni visive indotte dalla luce, ai colori semplici e ai colori composti, all'intensità e alla durata delle sensazioni, alle immagini postume e al contrasto simultaneo. La terza, apparsa nel 1866, è relativa alla percezione dello spazio.