Филомафитский — один из первых представителей экспериментального направления физиологии в России. Резко критиковал умозрительный путь получения знаний, считал, что опираться можно только на опыт. Прибегал к вивисекции животных (лягушка, собака, голубь). Проводил эксперименты с перерезкой блуждающих нервов, изучал рефлекс кашля, химизм и механизм желудочного пищеварения и другие. Широко использовал оптические приборы (впервые в России применил микроскоп для исследования клеток крови). Стремился связать физиологию с практическими задачами медицины.
Не принимал электрическую теории нервного возбуждения, подчёркивал различие между электричеством и «нервным живым началом». Опережая существовавшие взгляды, полагал, что источником тепла в живом организме является «животно-химический процесс», то есть обмен веществ. Говорил о процессах угнетения и задерживания рефлекторных реакций в головном мозге.
Филомафитский — один из немногих врачей-писателей того времени. Капитальнейшим трудом его является «Физиология, изданная для руководства своих слушателей», изданная частью в 1836 году и долгое время признававшийся одним из лучших русских руководств по этому предмету; труд этот остался неоконченным, так как из 4-х отделов, намеченных автором, изданы только 2 первых и половина 3-го.
Также внимания заслуживает другой труд Филомафитского: «Трактат о переливании крови (как единственном средстве во многих случаях спасти угасающую жизнь)», в который он внёс немало нового, добытого собственными наблюдениями, в том числе результаты опытов на обескровленных собаках, сделал теоретические обобщения, описал аппаратуру для переливания крови.
Кроме упомянутых капитальных трудов известна ещё его речь «О жизни», в которой автор стремится найти приложение физиологических начал к физическому воспитанию детей.
Совместно с Н. И. Пироговым разработал в 1847 году метод внутривенного наркоза. После смерти Филомафитского появилась в «Военно-медицинском журнале» его статья «Физиологический взгляд на употребление эфиров, хлороформа и бензина для притупления чувствительности».