Goethes Tätigkeit als Naturforscher, die sein Weltbild entscheidend mitprägte und mannigfache Spuren im dichterischen Werk hinterließ (vor allem in den Wahlverwandtschaften), ist in ihrer Bedeutung erst spät erkannt worden. Goethe hörte bereits in der Straßburger Zeit naturwissenschaftliche und medizinische Vorlesungen, und während seines gesamten Lebens weckten vor allem geologische, physikalische und biologische Studien immer wieder sein Interesse. Am Anfang standen physiognomische Untersuchungen, die durch die persönliche Begegnung mit Johann Caspar Lavater angeregt wurden. Goethe war Mitarbeiter der vierbändigen Physiognomischen Fragmente, die der Züricher Forscher 1775 bis 1778 herausgab. In Weimar wurde er in mehreren wissenschaftlichen Zirkeln, wie der 1791 gegründeten "Freitagsgesellschaft", der ab 1805 tagenden "Mittwochsgesellschaft" und der Jenaer "Naturforschenden Gesellschaft", aktiv und pflegte u. a. Kontakt mit dem dortigen Medizinprofessor Justus Christian Loder.

Seine bedeutendste Leistung war die Entdeckung des menschlichen Zwischenkieferknochens (Os intermaxillare) im Oktober 1781, die endgültig die – seinerzeit noch umstrittene – gemeinsame Entwicklungslinie von Mensch und Säugetieren bewies. 1790 verfasste er die anatomische Abhandlung Versuch über die Gestalt der Tiere und den Versuch, die Metamorphose der Pflanzen zu erklären. 1791 folgten intensive Studien zur Farbphysik, die er in den Beiträgen zur Optik (1791/92) festhielt. Im Rahmen weiterer Untersuchungen zur Farbenlehre und ihrer Geschichte beschäftigte er sich eingehend mit den Werken von Leonardo da Vinci, Johannes Kepler und Isaac Newton. Im Gegensatz zu Newton setzte er im Farbspektrum Weiß als reine Farbe voraus, stieß mit dieser (unzutreffenden) Ansicht jedoch auf Widerspruch. Die 1810 erschienene Abhandlung Zur Farbenlehre, die er u. a. auch mit dem Maler Philipp Otto Runge diskutierte, wurde in anderen Aspekten ein anerkanntes Standardwerk. Der "didaktische" Teil enthielt systematische Erläuterungen in drei Unterabteilungen (Physiologische, Physische und Chemische Farben), der "polemische" setzte sich mit den Ansichten Newtons auseinander, während im fragmentarischen dritten der Versuch einer wissenschaftsgeschichtlichen Bestandsaufnahme von der "Urzeit" bis zur Gegenwart unternommen wurde.

Goethes wissenschaftliche Arbeit war geprägt von seiner pantheistisch gefärbten Naturphilosophie, die am deutlichsten in der Metamorphose der Pflanzen greifbar wird. Dort setzte er dem statischen Klassifizierungsverfahren Carl von Linnés seine Theorie der "ursprünglichen Identität aller Pflanzenteile" entgegen, die auf der Prämisse einer "Urpflanze" beruhte, aus der alle weiteren Pflanzen sich entwickelt hätten. Dieser biogenetische Ansatz entsprach seiner prinzipiellen Überzeugung von der in Kongruenzen und Oppositionen verbundenen Vielfalt der Schöpfung, die in ähnlicher Weise auch für die romantische Transzendentalphilosophie und Naturwissenschaft bestimmend wurde, wie in Gotthilf

Heinrich von Schuberts Ansichten von der Nachtseite der Naturwissenschaften (1808).