В 164 году н. э. Гален покидает родину и переезжает в Рим. В Вечном городе он читает лекции по анатомии и медицине и, практикуя как врач, обзаводится многочисленной клиентурой. Гален – неутомимый труженик, он оказывает помощь как первым лицам империи, так и простым горожанам и их рабам. Излечение известного мыслителя Эвдема приносит ему небывалую славу, о нем узнает император-философ Марк Аврелий, назначивший Галена в 169 году н. э. придворным архиатром – личным врачом императора и его сына Коммода.

Живосечение (вивисекция) являлось непременной частью лекций Галена, имевших оглушительный успех в римских медицинских кругах, несмотря на трения между ученым и сторонниками догматической медицины. В Риме, как и в Греции, вскрытие человеческих останков было запрещено. Гален был вынужден изучать анатомию по большей части на животных, проводя параллели со строением человеческого тела. Это в ряде случаев приводит к ошибочным суждениям, но важность и объем открытий, совершенных Галеном, несоизмеримо важнее допущенных ученым неточностей.

Гален является автором около 300 научных трудов, в которых он не только обобщил знания, накопленные античной наукой, но и отразил поистине революционные результаты своих исследований. Его руке принадлежат как медицинские, так и философские, математические и юридические трактаты. До нашего времени сохранилось лишь около сотни его работ. Галену довелось перенести тяжелый удар судьбы: в 191 году н. э. в храме Мира в Риме, где проходили его лекции, возник сильный пожар, уничтоживший в том числе часть рукописей великого врача, хранившихся в храмовой библиотеке.

При жизни и в первые годы после смерти Галена его работы не пользовались особой популярностью. Вероятно, причинами этого были ожесточенная перепалка ученого с господствовавшими медицинскими школами, а также утомлявшее читателей детальное изложение огромного объема информации, что было не свойственно научной литературе той эпохи.

Из десятков дошедших до нас работ Галена следует выделить основные: анатомо-физиологическое сочинение «О назначении частей человеческого тела», 16-томник «Об анатомии», трактаты «Терапевтические методы» и «О составе лекарств». Помимо этого, благодаря комментариям Галена, ныне читателям доступны некоторые утраченные в оригинале части знаменитого «Гиппократова корпуса».

Галеном впервые подробно описаны кости скелета человека, суставы и связки, дана их классификация, отчасти применяемая и по сей день. В анатомических трудах ученого содержится описание около 300 мышц, однако некоторые из них были приписаны им человеческому телу ошибочно.

Выводы Галена относительно строения сердечно-сосудистой системы содержат характерные для той эпохи заблуждения. Тем не менее ученым выдвинута первая в истории физиологии теория кровообращения, которой наука придерживалась вплоть до XVII столетия. Гален впервые указал на различия строения стенок вен и артерий и доказал, что артерии переносят не воздух, как до того считалось, а кровь. Ученый описал анатомическое строение сердца и его венечные сосуды. Крупная мозговая вена до сих пор носит имя Галена. Описывая аппарат дыхания, ученый включил в него гортань, строение которой он, восхищаясь, сравнил с флейтой, а также трахею, бронхи, легкие и легочные сосуды, левый желудочек сердца. Галену принадлежит термин «перистальтическое движение» в отношении деятельности кишечника. Опытным путем он открыл и механизм действия клапана устья мочеточника, предупреждающего обратный ток мочи из мочевого пузыря.