Był zdecydowanym zwolennikiem teorii ewolucji sformułowanej przez Charlesa Darwina. Odkrycia Gegenbaura, zwłaszcza zaś stworzenie anatomii porównawczej, stały się ważnymi argumentami w dyskusji dla rzeczników teorii ewolucji.
Karl Gegenbaur w roku 1870 przedefiniował dla potrzeb biologii ewolucyjnej pojęcie homologii, które do biologii porównawczej wprowadził w połowie XIX wieku Richard Owen. Zasady homologii i analogii narządów stanowią podstawowe kryteria w anatomii porównawczej.
Dzieło Gegenbaura Grundzüge der vergleichenden Anatomie z 1859 roku (po ang. Elements of Comparative Anatomy) było ówcześnie uznanym podręcznikiem morfologii ewolucyjnej.