Гален ввёл в медицину вивисекцию, эксперименты на животных, впервые разработал методику вскрытия мозга. Опыты производились на свиньях, коровах и др. Особо надо подчеркнуть, что Гален никогда не делал вскрытий человеческого трупа, все его анатомические представления были выстроены по аналогии со строением тела животных. Он исходил из слов своего кумира Аристотеля: «Многое неизвестно или вызывает сомнение в строении внутренних органов человека, поэтому необходимо их изучать у других животных, органы которых сходны с человеческими». Занимаясь лечением гладиаторов, Гален смог существенно расширить свои анатомические познания, которые в целом грешили множеством ошибок.
Гален одним из первых экспериментально установил отсутствие боли при рассечении мозгового вещества. Он изучал вены головного мозга и подробно описал носящую его имя нижнюю полую вену, которая собирает кровь от нижних конечностей, стенок и органов таза, от стенок брюшной полости, от диафрагмы, некоторых органов брюшной полости (печени, почек, надпочечников), от половых желез, спинного мозга и его оболочек (частично).
Гален внес вклад в описание нервной системы человека, указав, что она представляет собой ветвистый ствол, каждая из ветвей которого живет самостоятельной жизнью. Нервы построены из того же вещества, что и мозг. Они служат ощущению и движению. Галеном различались чувствительные, «мягкие» нервы, идущие к органам, и связанные с мышцами «твердые» нервы, посредством которых выполняются произвольные движения. Он указал на зрительный нерв и установил, что нерв этот переходит в сетчатку глаза.