且让我们话说从头，回溯到歌德的少年时代。他在少年时代，即由于悟性高、兴趣广，开始了一生对科学的追求。很少有人知道歌德在科学研究与著述上所花的时间，要超过他在文学著述上所花的时间。他在莱比锡习医学与物理学，在斯特拉斯堡攻读化学，1781年习解剖学，又以多年的时间在图林根搜集矿石与植物标本，并观察地质形成。旅游时，他并不只是注意男人、女人与艺术，他也留意一个区系的动物与植物及气象。耶拿大学实验室的建立，歌德功不可没。他对自己在科学上的成败，其重视的程度并不弱于他对自己在文学上的成败。
歌德在气象方面也有所贡献。他在萨克森—魏玛公国筹组了几个气象观测站，协助在日耳曼全境设立气象站，并给予指导。关于这方面的论述有《气象论》和《温度计作用的原理》。他说服奥古斯都公爵开始搜集矿石标本，这一部分的收藏成了耶拿矿物学博物院的核心。在研究了伊尔梅瑙的地层之后，他指出由此可以证实亚伯拉罕·沃勒所说的地球表层所有岩石的形成，都是水缓慢作用的结果。他也是首批论者之一，指出地层的年代可以由其中的化石加以断定，他并为此种论点做辩：如今不规则地分散在高地的漂石，是被北极地带的冰河夹带而上的。
1791年至1792年，歌德出版了两卷的《光学概论》。他说：“我的目的是要汇集这方面所有的知识，自己做各种实验，使之易于了解，便于一般人阅读。”1790年至1810年，他做了无数的实验以说明颜色，魏玛的歌德博物馆至今仍保存了他使用的实验工具。多年的研究成果是1810年出版的两大卷《色彩论》，这是他作为一位科学家的主要论著。
歌德认为色彩不仅由于物体化学组成的关系，也由于眼睛的构造与作用。他分析视网膜对光与暗的适应、色盲的生理成因、视觉暂留现象及在感觉与艺术中对色跟混合色的效果。他误以为绿是黄与蓝的混合。（在调色板上确实如此，不过在光谱上蓝光与黄光相混，则产生灰与白色光。）他把牛顿1704年光学上的许多实验拿来重做，发现有几个实验的结果与该书所载不同，于是他指责牛顿所言不实。他驳斥牛顿所说的白色光是各色光的综合。他说，各色光的集合产生的并不是白色光而是灰色光。不论歌德同时代的或后来的光学家，都不接受歌德的这项结论。他们赞许歌德的实验，对他的立论则多不予理会。对歌德在诗与哲学方面颇为景仰的叔本华，1815年寄了一篇论文给歌德，为牛顿的光学做了有力的辩护，歌德终其一生对此耿耿于怀。
像歌德这样对色彩敏感的人，必定会对世间的植物产生异想的。1786年在帕多瓦，他对该地的植物园叹为观止，那是他所见过的种类最多的植物园。他见到南北植物的殊异，决意研究环境对植物的形成与生长具有的影响力。他也从来没有像此刻这样深深惊异于一些看来类似的种子，在神奇的自然力之下，各自发展成其独有的结构、质地、色彩、脉络和形状。多么奇异的生命力与创造力！然而在个体的殊异之中，是否也有共同点，在各种组织的演化中，是否也有它们相同的地方？他认为植物的各科、种、属，实在是由一个基本的原型发展而成。他在给赫尔德的信上说，“同一原理可用之于所有的生物”，即适用于动物与植物，它们都是一个基本结构主题的变相。各个有机物，就其一致性而论，是原初形态的一种翻版，所以一种有机物的各个部分，也许是一个基本形态的各种变形。歌德在帕多瓦时注意到一株棕榈树，它的叶子有各个不同的发展阶段。他研究棕榈树从最简单的叶子到形成扇状的完全成熟阶段的变形，他获致的理念为，一株植物的各种组织——树干为例外——是叶子的成长的各个阶段和变形。
歌德返回魏玛后，把他的这项理论出了一本86页的小书，名叫《歌德试解植物的变形》（1790年）。植物学家讥之为诗人的梦呓，奉劝这位诗人还是搞他的本行吧。歌德倒也听取忠言，将之改写成诗篇：《植物的变形》。渐渐地，这项理论有了更多的明证，支持者也就越来越多了。1830年，希莱尔把歌德的论文向法国科学院推荐，因为后来植物学的进展，证实了歌德的理论是缜密研究与创造性想象力的成果。
应用他的理论到解剖学上，歌德建议（1790年），颅骨是脊椎骨的变形和延长，它包容的脑子犹如脊椎中的脊髓一般。今天就这一概念看法并不一致。在解剖学上，一条明确、卓绝的成就归功于歌德——人身上的上颌间骨（这根骨头在上下两颚之间，门牙即从这里长出来）。解剖学家从动物身上已发现这样一根骨头，但是，怀疑人身上也有同样的骨头。歌德的发现缩小了人与猿之间结构上的差异。且听听诗人1784年3月27日从耶拿以情人和科学家的口吻写给夏洛特·斯泰因的一封信上声称他的成功时说：“顺便在问候时，对我的夏洛特多写上几行……我怀着难以言喻的满足感。我在解剖上的发现，既美妙又重要。你分享这份成就，但是就这种发现无须多置一词。”他在1784年送到许多科学家手中去的一篇题名为《根据比较骨学的研究，发现上颚的上颌间骨为人类和较高等动物所有》的论文上宣布了他的发现。这是“在比较解剖学领域内，有正确描述的第一篇论文，因此，它是解剖学史上的一座里程碑”。（法国解剖学家达齐于同年发表了相同的发现。）
歌德在他的另一篇论文中说：“人类与禽兽是非常近似的……每样生物都只是大和谐中的一种风格、一个变化。”就像许多早先的科学家与哲学家一样，歌德也认为人类是动物王国的一部分，并写成一诗篇，题为《动物的变形》。不过他不持达尔文派的观点。歌德的立论并不同于跟他同时代的拉马克与达尔文，他并不认为物种的演化是按物竞天择的道理。
歌德是一位真正的科学家吗？在科学上他不能算是专家。他是一位有研究科学热诚与开放心灵的业余者，一位纵身于诗歌、小说、爱情、艺术实验与行政琐事之间的科学家。他使用不少设备，搜集成为一间大型的科学图书馆，做了有用的观察和细心的实验。赫尔姆霍茨证实歌德叙述的无论在客观过程和实验上都属正确无误。他避免目的论上的说明。专业性的科学家并不承认歌德是科学家，他们认为歌德太过信赖直觉与假设，观察不够，结论太快，在每一范畴上只点到为止，除了在光学和颜色论上以外，都无成就可言。不过倒也不乏一些理想与英雄式的执着。埃克曼于1825年说：“歌德已年近八十，仍不倦于发掘问题，进行实验。”歌德的这种想法也许是对的：科学的主要目的，不该以新的工具满足旧的欲望，而是以知识增长智慧，以启发新的希望。
