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동물의 의태양식(동물이 다른 생물이나 무생물을 흉내내는 것) 속에 자연선택의 작용이 발견된다고 주장했다(→ 표지의태). 그의 이론은 1861년에 발표되어 찰스 다윈의 진화론을 크게 뒷받침했다.

1844년 베이츠는 앨프레드 러셀 월리스에게 곤충학이라는 학문의 필요성을 일깨워주었다. 1847년 월리스는 베이츠에게 각종 곤충의 표본 수집과 종의 기원 문제 해결을 위한 자료 수집을 위해 열대 정글의 탐사를 제안했다.

1848년 5월 28일 그들은 브라질의 아마존 강 하구에 위치한 파라에 도착했다. 월리스는 1852년에 영국으로 돌아갔으나 베이츠는 그곳에서 11년간 체류하며 아마존 강 유역을 탐사했다. 그결과 곤충 1만 4,712종을 수집했고 이중 8,000종은 아직 학계에 보고되지 않은 것이었다. 1859년 영국으로 돌아와 방대한 수집자료를 분류하는 작업에 착수 한 뒤 1861년에는 〈아마존 강 유역의 곤충군에 대한 고찰 Contributions to an Insect Fauna of the Amazon Valley〉이라는 유명한 논문을 발표했다.

1864년에는 영국 왕립지리학회(런던)의 부회장으로 임명된 뒤 사망할 때까지 그 자리에 있었다. 저서로는 〈아마존 강의 곤충학자 The Naturalist on the River Amazons〉(2권, 1863)가 있고 기타 곤충학 논문이 여러 편 있다.