Nel 1887, al "St Mary's Hospital", studiò la possibilità di registrare l'attività elettrica del cuore in modo incruento negli animali e nell'uomo. Tali registrazioni erano già avvenute nel 1876, ad opera di Étienne-Jules Marey, per mezzo di elettrodi posti sulla superficie del cuore esposto di cavallo. Nel 1887 Waller poté registrare il primo elettrocardiogramma per mezzo di elettrodi posti sul torace e sugli arti di esseri umani. Waller dimostrò inoltre che la contrazione del cuore non è un processo che si svolge simultaneamente in tutto il muscolo cardiaco, ma inizia all'apice e termina alla base. Grazie a questi studi, nel 1891, a soli 35 anni di età, fu accolto nella Royal Society. Nel 1903 ottenne la direzione del neonato Laboratorio di Fisiologia all'Università di Londra.