Investigó en numerosos campos, definió por primera vez el concepto de medio interno, estudió los métodos de retroalimentación que controlan el equilibrio metabólico. Estudió los procesos digestivos: la salivación, la secreción del jugo pancreático, la importancia del hígado en el metabolismo de los glúcidos y el control que sobre este ejerce el bulbo raquídeo. También se interesó por mecanismos de regulación del flujo sanguíneo como la vasoconstricción y la vasodilatación que ejercían los nervios vasomotores.
En 1852 observó en animales la afectación de los nervios del sistema simpático cervical, que ocasionaba sequedad facial, ojos hundidos, párpados caídos y miosis pupilar, este problema fue descrito en humanos en 1869 por el oftalmólogo suizo Johann Friedrich Horner y hoy recibe el nombre de síndrome de Claude Bernard-Horner.
En la actualidad se considera a Bernard el fundador de la Medicina experimental y de la moderna Fisiología.
Bernard recibió el Premio de Fisiología de la Academia de Ciencias de París en tres ocasiones de la que fue nombrado miembro en el año 1868. En 1876 recibió la Medalla Copley.
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