高尔顿是达尔文的姑表兄弟，因受达尔文进化论和斯宾塞心理进化的思想影响研究了心理遗传和意象的个别差异。他还首先应用统计方法研究心理学，并对联想进行了实验和发明了多种实验仪器，如高尔顿笛和双针接触器等。高尔顿是个遗传决定论者，1883年创立了优生学，著有《遗传的天才》（1869年）、《人类才能及其发展的探讨》（1883年）和《自然的遗传》（1889年）。他调查了1768～1868年间的英国首相、将军、文学家和科学家共977人的家谱后发现，大多数名人出身于望族，因而他断定，天才是遗传的。他认为遗传的力量超过环境的影响，即使一个人生长在最好的环境里，又肯努力奋斗，也不能成为名人，除非有优越的天赋。他从身高的情况推想，在人体的其他一些特征中应该是一样的，如脑重、神经纤维的数量、感官灵敏度，因而心理能力也应该是这样。他还搜集了80对双生子的资料，用双生子比亲兄弟亲姐妹更相像来证明心理遗传，并把遗传决定论思想扩充到种族差异，作为说明黑人比白人智能低下的原因，提出了用人工选择和改良人种的优生学等引起了长期争论。
高尔顿主要用测验意象的问答法来研究个别差异。他的方法是，先确定一项事件，如早餐。让被试回想早餐桌上实物的意象：（1）鲜明程度怎样（同实物相比是模糊的，还是清晰明了的）；（2）确定的程度怎样（同实物相比在大小、位置、间隔上是否同实际一样）；（3）色彩（如瓷器、面包、菜、肉等的颜色是否都像自然状态那样鲜艳）。然后按各人的意象及其鲜明程度差异经过分类统计，列出一条从0～100的统计线发现，每个人的意象有很大的个别差异：有人以视觉为主；有人以听觉为主；有的以肌肉运动觉为主。他认为一个人的职业、年龄和性别与意象的差异有关。许多长于抽象思维的科学家往往缺乏视觉意象，而女人比男人，幼儿比老人的意象要强一些。但是，也发现有些人在某种情况下毫无意象，甚至是知名的画家也说不出有视觉意象。他还发现了联觉现象，如“色——听”现象，即听到某一声音则某种颜色也在心目中出现，或者听到一个字母A，在意识中即出现黄色等。
高尔顿最早用内省法进行自由联想实验。他用一张写有75个字的表，逐字挨次进行自由联想，记下每个字呈现后到联想产生的时间，然后对这些联想做出分析。他发现，在75个字的自由联想中，想起的字多数属于儿童或少年期学会的。这一实验方法，后来被冯特采纳，用于在莱比锡大学实验室进行的实验。关于自由联想想起的多数是儿童、少年时期的记忆，后来在弗洛伊德的精神分析理论与治疗中得到应用。
高尔顿在研究心理遗传时，还创造了一种数学统计的方法，在研究个别差异时又进一步用相关系数（r）来表示遗传对心理差异的影响，为心理学又开辟了一个新的领域和研究方法。