然而,最使歌德入迷的是骨骼,他收集了各式各样的骨骼,有一次他不得不把大象的头骨藏在大箱子里,以免别人骂他是疯子。1784年,他在研究人体结构时发现了人类的颚间骨,虽然法国科学家魏克·达苏在此之前四年就已经有了这个发现,但歌德是在不知情的情况下独立完成这个发现的,他比较了洛德思人的头骨和动物的头骨后得出了这个结论,更新了人们只认为动物有颚间骨的旧说。歌德为自己的发现而高兴,将这一发现写成论文寄给了当时享有盛名的荷兰解剖学家卡伯尔。
歌德在对人类与羊等动物骨骼研究的基础上,撰写了《动物变形论》一书,他在书中阐述了自己的观点:动物最重要的部分是脊椎,一切脊椎动物(包括人)的头骨都以同样的方式,由排列有序的骨群组合而成,而骨群只不过是变异的脊椎。他对比较骨骼学的详细研究,使他深信有机结构的统一性。从对于有机界本质的深刻认识来看,歌德不愧是达尔文和拉马克的最卓越的先驱者。在分类学上,他还强调和明确了“门”的概念。