Описал около 300 мышц человека. Доказал, что не сердце, а головной и спинной мозг являются «средоточием движения, чувствительности и душевной деятельности» . Сделал вывод, что «без нерва нет ни одной части тела, ни одного движения, называемого произвольным, ни единого чувства» . Перерезав спинной мозг поперек, Гален показал исчезновение чувствительности всех частей тела, лежащих ниже места разреза. Доказал, что по артериям движется кровь, а не «пневма» , как считалось ранее.
Создал около 400 трудов по философии, медицине и фармакологии, из которых до нас дошло около сотни.
Описал четверохолмие среднего мозга, семь пар черепномозговых нервов, блуждающий нерв; проводя опыты по перерезке спинного мозга свиней продемонстрировал функциональное различие между передними (двигательными) и задними (чувствительными) корешками спинного мозга.
На основе наблюдений отсутствия крови в левых отделах сердца убитых животных и гладиаторов, а также обнаруженных им при анатомировании трупов недоношенных младенцев отверстия в межжелудочковой перегородке создал первую в истории физиологии теорию кровообращения (по ней считалось, в частности, что артериальная и венозная кровь — жидкости суть разные, и коль первая «разносит движение, тепло и жизнь» , то вторая призвана «питать органы») , просуществовавшую до открытий Везалия и Гарвея.
Гален систематизировал представления античной медицины в виде единого учения, являвшегося теоретической основой медицины вплоть до окончания средневековья.
Положил начало фармакологии. До сих пор «галеновыми препаратами» называют настойки и мази, приготовленные определенными способами.
