哈維用蛇做實驗。他把活蛇殺死，剖開，用鑷子夾住大動脈，觀察後發現：鑷子以下的動脈很快就癟了；鑷子與心髒之間的動脈和心髒，膨脹開來，越來越鼓，顏色變深。而鬆開鑷子以後，心髒及動脈很快又恢複了正常。後來，哈維又做了一個類似的實驗，他用鑷子夾住大靜脈，切斷心髒與鑷子以下的靜脈通路。這時，他看到：鑷子和心髒之間的靜脈，馬上就癟了；同時，心髒變小，顏色變淺。鬆開鑷子，在癟下去的一段靜脈中，馬上就有血液流過，心髒的大小和顏色也恢複如初。
人體內的血液是否這樣？哈維請來一名身體削瘦、臂上大靜脈清晰可見的人。他用繃帶紮緊這人的上臂。過一會兒，摸摸繃帶以下的動脈，無論在肘窩還是在手腕，都不跳動了，而繃帶以上的動脈，卻跳得十分厲害；繃帶以上的靜脈癟下去了，而繃帶以下的靜脈，卻鼓脹了起來。這表明心髒中的血液來自靜脈，而動脈則是心髒向外泵吐血液的通道。
哈維做解剖實驗時發現，心髒分為左右兩部分，每一部分又分為上下兩個腔，這就是我們現在說的左心房、左心室、右心房、右心室。他算過這樣一筆賬：人的左心室容量為2盎司（1盎司=28.35克），以心髒每分鍾搏動72次計算，每小時由左心室進入主動脈的血液流量應為8640盎司（約等於244.9千克），這個數字相當於普通人體重量的3倍多。而肝髒在這麼短的時間內也決不可能製造出如此之多的血液來。惟一正確的解釋是：體內血液是循環流動的。
1616年，哈維在演講中宣布了他的血液循環理論。他說，在心髒收縮時，心髒裏的血液流到動脈裏；而靜脈裏的血液，又流回了心髒。總之，血液在體內是循環流動的。但哈維並未說明動脈、靜脈末端的相互聯係問題。
哈維的演講當時沒有引起多大反響。他深入研究，總結整理，撰成一部劃時代的專著《心血運動論》。這部隻有72頁的著作於1628年出版後，立即遭到教會和一些保守學者的攻擊。有人甚至評價說：這本書是“虛妄的、荒謬的、有害的”！幸好，哈維當時是英國國王查理一世的禦醫，受到國王的寵幸，這才使他沒有像前輩維薩裏、塞維塔斯那樣付出生命的代價。
1661年，即哈維逝世後的第四年，意大利科學家馬爾比基在顯微鏡下觀察到毛細血管的存在。正是這些肉眼看不見的微小血管，把動脈和靜脈連接起來形成一個“可循環的管道”。這進一步證實了哈維的血液循環理論的正確性。
哈維的貢獻是劃時代的，他的工作標誌著新的生命科學的開始，屬於發端於16世紀的科學革命的一個重要組成部分。他的《心血運動論》一書也像《天體運行論》等著作一樣，成為科學革命時期以及整個科學史上極為重要的文獻。
哈維創立的血液循環理論，徹底推翻了蓋侖的“血液潮汐論”，宣告了生命科學新紀元的到來。恩格斯高度評價了哈維的科學成就。他指出：“哈維由於發現血液循環而把生理學確立為科學。”