É na corte imperial que escreve a maior parte de sua obra: cerca de 400 livros, dos quais 98 são conhecidos.
Galeno faz várias descobertas, baseadas em experimentos com macacos. No interior do sistema nervoso cerebral, diferencia os nervos sensoriais dos motores; descreve o coração e o mecanismo da pequena circulação; demonstra que os rins processam a urina; e mostra que as artérias contêm sangue e não água, como se acreditava até então.
Desenvolve a teoria de que as doenças do corpo humano ocorrem quando há um desequilíbrio entre quatro de seus componentes essenciais: o sangue, a bílis, a pituíta e a atrabílis. Modernamente, a pesquisa científica demonstra a incorreção de algumas de suas teoria.