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처음으로 반사작용에 대한 설명을 과학적으로 발전시켰다. 런던에서 매우 성공적으로 개업활동을 하면서(1826~53), 생리학적 연구로 유럽에서 명성을 얻었으나 영국의 의학기관에서는 조롱을 받았다. 그는 〈방혈(放血) 관찰 Observation on Blood-Letting〉(1830)에서 방혈기술을 공공연하게 비난했다.

〈혈액순환에 관한 실험적 논문 Experimental Essay on the Circulation of the Blood〉(1831)에서는 모세혈관에서 혈액과 조직이 접촉한다는 것을 처음으로 보여주었다.

홀은 머리가 제거된 영원(양서류의 일종)의 피부를 찌르면 영원이 움직인다는 것을 발견하고 〈연수와 척수의 기능에 관한 연구와 운동촉진신경계에 관한 연구 On the Functions of the Medulla Oblongata and Medulla Spinalis, and on the Excito-motory System of Nerves〉(1837)라는 그의 논문에 요약되어 있는 일련의 실험을 하게 되었다.

이 연구는 그의 반사작용에 관한 이론의 기초가 되었는데, 이 이론에 따르면 척수는 일련의 단위가 연결되어 이루어지며 각 단위는 독립적인 반사궁으로 기능한다. 각 반사궁의 기능은 감각신경과 운동신경, 그리고 신경이 시작되는 척수의 한 절(節)에서 일어난다. 반사궁들은 서로 연결되어 있어, 종합적인 운동을 하기 위해서는 뇌와 상호작용을 한다. 왕립학회는 이 이론이 엉터리라고 공공연히 비난하면서 이 논문을 비롯해 같은 주제에 관한 논문들에 대한 출판을 거절했다. 그러나 유럽에서는 홀의 연구가 갈채를 받았고 그의 이론을 증명할 많은 연구가 진행되었다. 또한 홀은 1855년 물에 빠졌을 때 널리 이용되는 인공호흡법을 도입했다.