歌德当上宫廷剧院的总监后，又有很多新旧朋友围绕到他的身旁。1791年，他在那不勒斯认识的瑞士人海因里希·迈耶尔来到魏玛，并在歌德家中一直住到1803年。年轻的哲学家谢林也前来耶拿任教，他以其进步的自然哲学观点而受到歌德的赞赏，但他却为落后的教会所不容。
歌德对自然科学的热爱仅次于文学创作，他和魏玛的自然科学家们保持着良好的关系，他关注着自然科学的最新进展，并时常向朋友们袒露自己的心迹说：“我的气质促使我比以往任何时候更热衷于自然科学，在我看来艺术创作、自然科学研究乃至数学运算，一切都同根本真理有关，它的发展在思辨中不像在实践中那样容易看出来，因为实践乃是精神感受到的事物的试金石，是内在感觉变成真实事物的试金石。”“坚信自己决心的价值的人，一旦转向外界，要求世界不仅只是应该同他的想象协调一致，而且要求世界必须服从他，顺从他的想象，进而实现他的想象。之后，他才悟出一条重要经验，不是他的行动有误，就是他的时代未能认识到真理。”
对于歌德来说，文艺创作和自然科学这两条不同的道路，都通向一个目标，那就是根本真理。
此时的歌德仍是魏玛宫廷的文化大臣。魏玛并没有大学。所以他经常去耶拿。耶拿大学聚集了许多人才。他经常与他们一起讨论问题，一起做试验。
耶拿在魏玛北面，乘马车去约有3小时路程。这里有一所耶拿大学和一座植物园。这正好做歌德研究科学的实验室。歌德觉得，自己当画家的美梦破灭了，但他想当自然科学家的梦想，仍吸引着他继续努力。
从意大利返回魏玛后，歌德在自然科学方面比文艺创作投入了更多的时间和精力，他对植物学、颜色学、人体解剖学兴趣最为浓厚。1790年4月，为迎接卡尔·奥古斯特公爵的母亲从意大利回国，歌德前往威尼斯。在威尼斯的海滩上，歌德的仆人偶然拾到一块头骨，交给了他。
歌德仔细观察这块骨头，他看出这不是人骨，而是绵羊的头盖骨，令他意外的是，它和人的头盖骨一样，都是从变化着的脊椎骨产生的，这些发现让歌德欣喜若狂。
在此之后，歌德开始《植物的变形》一书的写作，他在先前关于“原始植物”的构想的基础上，构造了一个所有植物发展过程的进化体系，即植物变形体系。
歌德认为，植物的所有部分都是从一个唯一的基本器官发育而成的，即由茎上的结节生发出叶子。具有完善形态的植物都是经过逐步演进才形成的。而植物种类的多样性则可以由植物形态变化过程中所产生不同的变种来加以说明。他仔细观察了植物生长过程之后，把变异分为有规则的、无规则的和偶然的三种。他还绘图并详细论证植物是如何从种子长出胚芽，变成胚叶，然后长叶子、开花结果的变异过程。
歌德通过观察，确认了植物的发展和变化，但在分析变化的原因时，他只承认量变而不认为有质的飞跃。歌德看到羊头骨之后，从植物的变异联想到动物的变异。他在1806年写出了《动物变形记》。
他认为动物最重要的部分是脊椎骨。动物形态各异，但都有脊椎骨。各种器官也都是由脊椎骨发展而来。当然，歌德在这里所说的动物全部指的是脊椎动物。
歌德对自然科学的迷恋持续了一辈子，有很多事都能说明他对自然科学的痴迷程度。
1792年2月7日，奥地利、普鲁士两国与法国王朝流亡者联合，缔结反对法国的大同盟，准备推翻法国革命政权。4月20日，法国向奥地利宣战。魏玛的奥古斯特公爵也加入了这场战争，公爵奉命指挥一个普鲁士军团，歌德随军到了前线。
有趣的是即使身在战场，炮弹横飞，歌德也有闲情逸致观摩自然，探索科学。
一次，他在一个有水的弹坑里发现一些小鱼，鱼在阳光照耀下颜色发生变化，他不禁看着了迷。
又有一次，大炮轰鸣，不少士兵因此得了“炮热症”，医生束手无策，歌德听说后，想弄清真相，亲自到前线体验，炮弹从身边“嗖嗖”飞过，他却一点也不畏惧。
战争结束后，歌德又重新回到科学和文学的生活氛围之中，他打算在安静的工作室里持之以恒，细心地照管好科学和艺术的神圣之火，为实现自己的宏愿而努力。
在这期间，歌德在文学的创作上也有一些成果，1794年7月底，他完成了《平民将军》的写作。不久，他又将德国古老的动物叙事诗《列那狐》改写成六步韵诗，通过各种拟人的动物对现实生活中官僚、骑士、僧侣等人的丑恶行径进行讽刺和揭露，对受压迫的农民、手工业者、小市民寄予深切的同情。
尽管这样，歌德还是没能放弃科学研究，他对植物学、光学等自然科学的研究也在有条不紊地进行着。
1791年，他在弗劳恩普兰官邸里设立了光学实验室。这是一间很小的暗房，仪器设备都非常简陋。但是，歌德通过自己的实验写出了著名的《光学论文集》。
歌德的客厅里摆了许多石头。这是他从外地，特别是从意大利收集来的。但比较起来，他在地质学领域的研究成果最少。
1794年，歌德开始研究颜色学，直至1810年他费了10余年心血终于写成两大卷《颜色学》，长达1300多页。
英国天才物理学家伊萨克·牛顿认为在白色光里存在所有其他的颜色，通过三棱镜就能证实牛顿的见解。然而歌德却向牛顿提出了挑战，认为牛顿的学说是荒谬的，是没有科学依据的。
歌德在《颜色学》前言里把牛顿的学说比做一个仓促建成的古堡，虽然不断地扩建和加固，但却不能住人。他认为必须让这个古堡的四壁和屋顶接二连三地倒塌并将瓦砾清除干净，才能建立新的理论。歌德的新理论是：“颜色是光明的行动，痛苦的行动。”
歌德通过对矿物、生物、人类从物理学、心理学及美学上的分析，得出一个结论：一切颜色都是由于闷光，由于明暗相互作用的结果。光明与黑暗如同斗争的南北两极，相互影响。它们在二者之间存在着闷光，即颜色的世界。他称蓝色和黄色为两主色。黄色具有愉快、活泼、刺激性小的性质。蓝色使人感到寒冷，令人不快。
歌德的这部专著出版以后，读者反应冷淡，原因是他的这个观点是错误的，因此他创作的《颜色学》并没有成为他所希望的“传世之作”。它只是在维也纳畅销了一阵子。
作为自然科学家，歌德的确是有独到的发现的，但他的这些发现都带有偶然性。因为，他仅仅是个业余的科学家，没有什么正规的仪器，只能靠自己肉眼观察。不过，在这样的情况下，歌德的科学发现能够有这些成果已经是很了不起的事了。
