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주요저서로는 〈인체 생리학 개론 Handbuch der Physiologie des Menschen für Vorlesungen〉(2권, 1834~40, 생리학 원리)이 있다.

제화공의 아들로 태어나 1819년 본대학교에 입학했다.

당시 그곳의 의과대학에서는 교수들이 일종의 자연주의적 낭만주의에 빠져 있었는데 젊은 뮐러도 거기에 심취되었다. 그의 〈동물 운동의 법칙에 관하여 Über die Bewegungsgesetze der Tiere〉(1822)는 자연주의적 방식으로 씌어진 것이었다. 그는 베를린대학교에서 학업을 계속해 나가면서 침착하고 꼼꼼한 성격의 해부학자인 카를 루돌피의 영향을 받게 되어 자연주의적 사고로부터 벗어나게 되었다. 1824년 본대학교에서 생리학과 비교해부학 강의를 맡게 되었으며 첫 강의 '자연에 대한 철학적 관점이 필요한 과학으로서의 생리학'에서 생리학자는 경험적으로 확립된 사실들을 철학적 사고와 융합시켜야 한다고 주장하면서 과학에 대한 자신의 접근방식을 개괄했다.

2년 후 부교수로 발령을 받았고 1930년에는 정교수가 되었다.

한편 1826년 방대한 저작인 〈시각의 비교생리학 Zur vergleichenden Physiologie des Gesichtssinnes〉을 출간했다. 이 책은 사람과 동물의 시각에 대한 새로운 자료를 제시해 과학자들의 주목을 끌었다. 또한 이 책에는 곤충과 갑각류의 겹눈[複眼]에 관한 인간의 경험과 연구들을 분석한 결과가 포함되어 있다.

그러나 가장 중요한 업적은 각각의 감각기관은 자신만의 특정한 방식 또는 특정 에너지를 가지고 서로 다른 종류의 자극에 반응한다는, 즉 외부세계의 현상은 감각계에서 발생하는 변화에 의해서만 인지된다는 사실을 발견한 것이었다. 그의 발견은 인식론에도 영향을 끼쳤다. 단행본 〈상상 속의 유령 On Imaginary Apparitions〉은 1826년에 출판되었다. 이 이론에 따르면 감각계로서의 눈은 외부에서 오는 시각적 자극에 대해서 뿐만 아니라 상상력에 의해 생기는 내부 자극에 의해서도 흥분될 수 있다.

따라서 종교적인 광경이나 유령 혹은 환영을 보았다고 말하는 사람들도 실제로 시각적 감각을 경험한 것일 수 있다. 따라서 그것이 실상은 외부 자극에서 비롯된 것이 아니라 내부 자극에 의한 것임에도 불구하고 외적인 요인에 의한 것이라 믿게 될 수 있다.

그는 탁월한 연구업적으로 본대학교의 의학교수 중 가장 유명한 인물이 되었다. 믿을 수 없을 정도로 높은 수준의 논문을 내면서 그는 생리학·진화·비교해부학 분야의 많은 문제점들을 조사했다. 그는 뇌와 척수로 들어가는 구심성 신경(afferent nerve)에서부터 뇌와 척수에서 나오는 원심성 신경(efferent nerve)에 이르기까지 신경충격경로를 연구했으며, 나아가 반사작용에 대한 개념을 밝혔다.

살아 있는 개구리를 면밀히 조사하면서 찰스 벨과 프랑수아 마장디의 이름을 따서 명명된 법칙을 확증했는데 이에 따르면 척수에서 나오는 전근(前根)은 운동신경이고 후근은 감각신경이다. 그는 하등동물의 신경계, 샘[腺]들의 복잡한 구조 및 분비과정을 조사했다. 생식선의 발생과정을 연구하면서 그는 여성의 내부 생식기를 형성하며 현재 뮐러관(Müllerian duct)이라 알려져 있는 구조를 발견하기도 했다.

또한 혈액과 림프의 조성, 혈액의 응고과정, 개구리 림프 심장의 구조, 눈의 망막에 맺히는 상(像)의 형성과정, 중이(中耳)에서의 소리 전도 과정에 대해 이해하는 데도 공헌을 했다. 1833년 뮐러는 루돌피의 후임으로 베를린대학교에 임용되었다. 새 직장에서 그는 다시 동물의 기능과 구조에 관한 많은 문제들을 탐구하기 시작했다.

베를린에서의 처음 몇 년 간은 주로 생리학에 몰두했다. 저서 〈인체 생리학 개론〉은 전세계에 알려졌고 독일에서는 이로써 생리학과 임상치료 사이에 유익한 상호 교류가 이루어졌다. 이는 또한 기초 분야의 연구를 자극함으로써 19세기 후반에 널리 받아들여진 생명과정에 관한 기계론적 사고를 탄생시키는 출발점이 되었다.

베를린에서의 방대한 해부학적 자료 수집에 고무되어 뮐러는 다시 병리학에 관심을 갖게 되었다.

조교였던 테오도어 슈반이 세포가 동물체의 구조적 기본단위임을 증명해 보인 이후에 그는 현미경을 이용해 종양의 세포구조를 연구하는 데 관심을 집중했다. 1838년의 저작인 〈암의 성질과 구조 및 그와 관련된 병적인 성장에 관하여 On the Nature and Structural Characteristics of Cancer, and Those Morbid Growths which May Be confounded with It〉는 병리조직학을 과학의 독립적인 한 분과로 확립시켰다(병리학, 조직학). 뮐러는 또한 위대한 스승이었다.

그의 제자 중에는 유명한 생리학자이자 물리학자였던 헤르만 헬름홀츠와 세포병리학자인 루돌프 피르호가 포함되어 있다. 1840년부터 뮐러는 자신의 연구를 점차 비교해부학과 동물학에 집중시킴으로써 이 분야에서 가장 존경받는 학자들 중 한 사람이 되었다. 한편 그는 표본들을 채집하고 분류하는 데 있어서도 대가였다. 어류의 분류체계를 개선했을 뿐만 아니라 발성기관에 대한 면밀한 분석을 토대로 명금류(鳴禽類)에 대한 분류체계도 개선했다.

또한 몇 년 간 해산 척추동물의 가장 하등한 형태인 원구류와 연골어류에 대해 집중적으로 연구를 했으며 무척추동물 중 극피동물문(門) 안에 있는 다양한 강(綱)에 속하는 동물들의 구조와 복잡한 발생과정을 공들여 기재하기도 했다. 그의 마지막 연구활동은 해산 원생동물인 방산충류와 유공충류에 집중되어 있다.

1827, 1840, 1848년에 뮐러는 우울증에 빠져 몇 달씩 일을 하지 못했다. 이는 그의 조울증에서 연유한 것으로 생각되며, 이러한 조울증은 1858년 그가 죽게 된 원인이 되었을지도 모른다.