Il nome di Spemann sarà sempre associato al suo lavoro sulla embriologia sperimentale. Lui stesso diventò un pioniere nelle tecniche di micro-chirurgica. Nel 1924, lavorando sulle grandi uova di anfibi, ha scoperto, insieme a Hilde Mangold, l'esistenza di una zona nell'embrione, che, trapiantata in una parte non ancora differenziata di un secondo embrione, induce l'organizzazione di un embrione secondario. Questo prova l'esistenza in ogni embrione di un «centro organizzatore» o «organizzatore», nome da lui dato a queste parti. Per questa scoperta dell'effetto dell'"organizzatore" nello sviluppo embrionale, è stato insignito del premio Nobel nel 1935.