Вместо теологических трудов он стал зачитываться работами Томаса Гексли, ярого противника идеализма, а также книгами многих других ученых, популяризовавших научные идеи, познакомился с эволюционной теорией Чарльза Дарвина. Это занятие породило у У. Кеннона желание учиться в колледже, и он поступил в Гарвардскую медицинскую школу. В 1900 г. он окончил ее, получив степень доктора наук.
Учась в Гарварде, Кеннон попал под влияние У. Джемса. С одной стороны, он зачитывался его работами, посвященными различным проблемам психологии, с другой — приходил в восторг от его лекций по философии. Находясь под этим впечатлением, он решил заниматься философией и даже сказал У. Джемсу об этом желании. Однако профессор посоветовал ему пойти по другому пути, и Кеннон начал работать под руководством профессора физиологии Генри Боудича. После его отставки он занял место заведующего лабораторией физиологии Гарвардской медицинской школы, где и проводил все свои исследования.
Первые работы У. Кеннона были посвящены исследованию различных проблем физиологии, и, казалось, ничто не предвещало его обращения к психологии. Однако, изучая, например, двигательные функции пищеварительного тракта, Кеннон обнаружил их связь с эмоциональным возбуждением. В связи с этим он обратился к теории Джемса—Ланге, объяснявшей эмоциональное переживание как отражение соматических изменений. По их мнению, при отсутствии телесных проявлений чувств (биение сердца, дрожание подбородка, губ и т.д.) эмоции совершенно исчезнут.
Эта теория не несла в своей основе никаких экспериментов и была чисто умозрительной. У. Кеннон решил проверить эту гипотезу, в связи с чем провел ряд экспериментов. Он установил, что при отсутствии соматических проявлений эмоции все же возникают, кроме того, он установил две закономерности. Во-первых, физиологические проявления различных эмоций очень похожи друг на друга и не могут выступать в качестве отличительного признака. Во-вторых, скорость появления и исчезновения этих проявлений значительно ниже, чем скорость развертывания эмоциональных переживаний. Отсюда У. Кеннон сделал вывод о том, что именно эмоции предшествуют физиологическим реакциям, а не наоборот.
Пытаясь спровоцировать появление тех или иных эмоций, Кеннон выяснил, что физические проявления, вызванные искусственно, не всегда влекут за собой появление соответствующих эмоций. На основе этих экспериментов он сделал вывод, что возникновение эмоций происходит вследствие реакции центральной нервной системы, в частности — таламуса. Таким образом, он вывел новую схему, отличную от концепции Джемса—Ланге, по которой возникновение эмоций и соответствующих физиологических изменений выглядит следующим образом: раздражитель — возбуждение та-ламуса — эмоция — физиологические изменения.
Немного позже П. Бард дополнил эту концепцию, показав, что эмоции и соответствующие им физиологические проявления возникают практически одновременно. В результате, она получила название теории Кеннона—Барда.
В 1920-х гг. У. Кеннон разработал теорию гомеостаза — постоянства внутренней среды организма. Он определил, что это постоянство поддерживается за счет саморегуляции, то есть организм сам заботится о постоянном поддержании условий, приспосабливаясь к изменяющейся внешней среде. Сначала ученый изложил это учение в физиологических и медицинских журналах, предназначенных для узкого научного круга. Однако несколько позже Кеннон выпустил книгу «Мудрость тела», где изложил весь материал простым языком, доступным любому читателю. Это вызвало подъем общественного интереса к физиологии. В этой книге ученый не просто объяснил свою теорию, но и показал'обширные возможности применения ее в различных областях науки, в частности в социологии для стабилизации общественных отношений и в экономике для упрочения экономической системы.
Кенноновская концепция гомеостаза была воспринята многими направлениями психологии и использована для объяснения взаимодействия индивида с окружающей средой. Так, например, нео-бихевиористы видели причину закрепления новой двигательной реакции в освобождении организма от потребности, нарушившей его гомеостаз. В концепции Ж. Пиаже говорилось, что интеллектуальное и психическое развитие происходит в процессе взаимодействия организма со средой, а гештальтпсихологи исходили из того, что психическая система при нарушении соотношений между ее элементами стремится к восстановлению равновесия. Концепция гомеостаза использовалась и в теории поля Курта Левина, считавшего, что возникновение мотивации связано с неравновесием в системе психических функций. Кроме того, резонанс, вызванный теорией Кеннона, ускорил появление идей гуманистической психологии.