Mayr var en av bidragsyterne til evolusjonsbiologiens «moderne syntese», dvs. integrasjonen av Charles Darwins opprinnelige teori (darwinisme) med nyere funn innen genetikken, utviklingsbiologien, paleontologien og systematikken. Resultatet av denne aktiviteten, som pågikk på 1930- og 40-tallet, var teorien som i dag er kjent som nydarwinisme. Mayrs bidrag lå fremfor alt på det systematiske område, dvs. han integrerte systematikkens funn i den nydarwinistiske teorien. Også etter denne perioden og helt frem til sin død fortsatte han å forbedre og forklare evolusjonsteorien i både vitenskapelige og populærvitenskapelige fora.