Investigó sobre la fisiología de las emociones, llegando en 1884 a idénticas conclusiones que su colega William James, aunque de forma totalmente independiente; en honor a ambos estas conclusiones se han llamado teoría de James-Lange de las emociones, en la que postulaban que las emociones se reducían a la vivencia de las reacciones fisiológicas de estímulo y respuesta.