A Berlini Egyetemen doktorált 1926-ban, majd két év múlva az egyetem munkatársaként Új-Guineába és a Salamon-szigetekre vezetett expedíciót (ezt két további expedíció követte). Kutatóútjain valósággal lenyűgözte az a mód, ahogyan a földrajzi megoszlás befolyásolja az állatok fejlődését. A fajok utódfajokká való szétválásáról (a fajképzésről), ill. a kis számú egyed által létrehozott populációkról (alapító populációkról) szóló korai tanulmánya a korszerű, szintetikus evolúcióelmélet egyik vezető alakjává tették. Ez az elmélet már magába foglalja a génmutáció és -rekombináció, a kromoszómák szerkezeti és működési változásai, a szaporodási elszigetelődés és a természetes kiválasztódás biológiai folyamatait is.
Mayr a New York-i Amerikai Természettudományi Múzeum
madártani részlegének kurátoraként folytatta
kutatásait (1932-53). Ebben az időszakban száznál
több cikket és könyvet írt a madárrendszertanról,
köztük a Birds of the Southwest Pacific (A Csendes-óceán
délnyugati részének madarai; 1945) c. művet
is. 1940-ben új faj fogalmának újfajta meghatározására
tett javaslatot, ezt tudományos körökben igen kedvezően
fogadták, és alkalmazásával több, korábban
ismeretlen fajt sikerült felfedezni. 1953-ban a Harvard Egyetem Alexander
Agassiz-állattanprofesszora lett, 1961-ben pedig kinevezték
az Összehasonlító Állattani Múzeum igazgatójává,
ahonnan 1970-ben ment nyugdíjba. Főbb művei többek
közt: Methods and Principles of Systemic Zoology (A rendszeres
állattan módszerei és elmélete; 1953, E.
G. Linsley-vel és R. L. Usingerrel közösen), Animal
Species and Evolution (Állatfajok és evolúció;
1963), The Growth of Biological Thought (A biológiai gondolkozás
fejlődése; 1982).