Mayer var en av de første som kom med en teori om bevaring av energi, det som nå er kjent som termodynamikkens første hovedsetning og som ble mer komplett beskrevet av Hermann von Helmholtz i 1847. Prinsippet går ut på at energi verken kan skapes eller ødelegges, bare omformes fra én form til en annen. Han kom også med en hypotese om at planter konverterer lys til kjemisk energi, senere kjent som fotosyntese.