摘取禁果的哈维
哈维发现，当用丝带扎紧人的上臂时，丝带下方的静脉就膨胀起来，动脉却变得扁平；而丝带上方的动脉膨胀，静脉却扁平。这表明动、静脉中血流的方向相反：一个从心脏流向肢体远端，另一个从肢端流回心脏。
经过认真的观察和分析，哈维认为，血液可能是在全身沿着一条封闭的路线作周而复始的循环运动。这条循环路线是：从右心室输出的静脉血经过肺部进行气体交换变成动脉血，然后通过左心房进入左心室。从左心室搏出的动脉血沿动脉送到全身，最后再沿静脉返回心脏。就这样川流不息，周而复始。
那么血液是靠什么力量推动前进的呢？
为了观察心脏和血液的运动，哈维相信活体解剖能够帮助自己寻找正确的答案。他坚持不懈地进行解剖实验，他解剖了鱼、蛙、蛇以及猪、狗等动物的心脏。他发现动物的心脏原来是一块中空的肌肉组织，它的运动是收缩和随之而来的舒展。收缩时心脏把它在舒展时进入其中的血液挤到动脉中去，这是一个崭新的概念。他认为心脏运动，是一种普遍心肌纤维紧张收缩：心脏收缩时，全身动脉都在搏动，当心脏停止收缩时，动脉搏动也随之消失。
一次，他解剖活蛇观察心脏和血管的活动。当他剖开蛇的胸腔时，鲜红的管状心脏有节奏地缓慢跳动着。当他用镊子紧紧夹住蛇的静脉，由于阻断了静脉血流向心脏，蛇心不仅变小而且苍白无色；松开镊子，心脏里就立即充满了血。随后，又用镊子夹住动脉，心脏就膨大变紫了，似乎顷刻间就要爆炸，松开镊子又恢复了正常状态。这种现象的发生，正是由于心脏的收缩和舒展活动的结果。
哈维还观察到，如果动脉被刺破了，在心室收缩时，动脉血液便有力地从伤口喷出来；若是静脉被刺破了，血是从伤口流出来的。
哈维通过更为细致的解剖实验证实，血液运动是遵循两条路线循环的。一条是由右心室推动的通过肺部的肺循环（即小循环）；另一条是由左心室推动的通过身体其余部分的体循环（即大循环）。同时他还发现动脉的管壁又粗又厚，愈接近心脏愈是如此。它天生是输出血液的，因为它要承受更大的血液的压力与冲击；而静脉管壁则又软又细，因为它的作用是运送血液返回心脏的。
1661年，意大利解剖学家借助显微镜发现了连接动脉和静脉之间的毛细血管，使哈维血液循环的理论更完善起来。
那么血液为什么会沿着一定方向川流不息？血液又是如何经过静脉回到心脏的呢？
哈维的老师法布里修斯发现了静脉瓣，但他不了解静脉瓣的真正功能。哈维经过无数次实验观察后认为，静脉瓣的作用是阻止静脉血回流，使血流只能流向心脏；心脏与动脉之间的瓣膜的作用，是使血液只能从心脏流出。
至此，哈维通过不断修正前人的错误，完善自己的理论，于1616年公布了他的发现。为了宣传真理，哈维对宗教神权毫不畏惧，冒着生命危险，将他的研究成果整理成书——《血液循环论》。1628年这部生理学史上划时代的巨著正式出版，确立了哈维在科学史上的不朽地位。科学家们认为，哈维一生用他的解剖刀割取了智慧树上的禁果，为科学家树立了榜样。
血液循环理论的建立，是生理学上的一场革命，给传统的观念以致命的打击。正如太阳中心说给天文学中的传统观念以致命的打击一样，它们是科学的双胞胎。两者都表明与古代理论体系的决裂，从而把当时的自然科学的发展引向正确的方向。恩格斯曾给了高度评价：“哈维由于发现了血液循环，而把生理学确立为科学。”
1657年6月3日，被誉为近代生理学之父的哈维，心脏停止了跳动，血液不再循环，安详地离开了世界，享年80岁。