のち、ヴェーバーは生理学に研究を移した。脈拍の伝わる速度について弟ヴィルヘルム・ヴェーバーと共同研究を行ない、1825年の"Wellenlehre auf Experimente gegründet"として出版した。同年、聴力障害の検査であるウェーバー検査を記述した。特定の条件下で頭内定位を確認したのはヴェーバーが初めてであった。
最も有名なのは1834年に行なった錘を持ち上げる実験である。彼は、錘の重さの変化を感じ取る感覚は、何g増えたかといった差ではなく、何倍になったかという比に依存していることを示した。この結果は1846年の"Zusätze zur Lehre vom Bau und von der Verrichtung der Geschlechtsorgane"や1851年の"Die Lehre vom Tastsinn und Gemeingefühl"(『触覚と一般感覚』)の中で発表され、後に弟子のフェヒナーによってウェーバーの法則として定式化された。この業績により、ヴェーバーは実験心理学や精神物理学の先駆者といわれている。