从非洲回来后，高尔顿一度患抑郁症和身体虚弱，这种病在他的后半生曾多次出现。从此以后他不再远游。1853年他和路易莎·巴特勒（Louisa Butler）结婚，1857年在伦敦定居。

1859年高尔顿的表兄达尔文出版的《物种起源》引起了他对人类遗传的兴趣。他的科学兴趣很快转移到与生命有关的领域。他把达尔文关于围绕着群的平均值的偶发变异原理应用于人类研究，开拓了以个体差异为主题的实验心理学的新领域，并于1869年发表了专著《遗传的天才》。

在完成了智力天赋的家族谱系研究后，高尔顿又致力于建立更精确的测量方法来考察人类才能的差异。1883年他出版了专著《人类才能及其发展的研究》，书中概述了自由联想和关于心理意象的问卷调查两项实验心理学上划时代的研究方法和成果。在这本书中，高尔顿还第一次提出了一个以人类的自觉选择来代替自然选择的社会计划，为此他还创造了“优生学”（Eugenics）这个词。因此通常人们把1883年作为优生学正式诞生的年份。

从1884年起，高尔顿先是在国际卫生博览会、后是在南肯新顿博物馆开设了一个人类学测量室。在那里人们可以测量出自己的身高、体重、握力等多种生理指标。在六年时间里，该实验室共收集了9337位男女的详细资料，为人类个体差异研究提供了大量数据。

1888年，他开始对指纹研究产生兴趣，并于1892年在其专著《指纹学》中提出了指纹分类法。他的指纹编码法被苏格兰场使用采用，作为伯特隆测量系统的补充手段来建立犯人档案。

1904年，高尔顿出资在伦敦大学设立了一个优生学讲座，邀请皮尔逊来主持。同时他还在该校设立了世界上第一个优生学档案馆，两年后改为优生学实验室。1908年，英国优生学教育会成立，高尔顿担任名誉会长。1911年伦敦大学优生学实验室和皮尔逊设立的生物学测量室合并为应用统计系。

1908年他的回忆录《一生的回忆》出版。1909年他被英国王室授予勋爵称号。1911年他以89岁高龄逝世于英格兰南部萨里的庄园。

《遗传的天才》（1869）

书中提出了大量关于智力遗传的论据，列出了来自300个家庭的近1000个知名人物的数据。书中还提出智力能力在人群中呈正态分布的观点。

《人类官能极其发展的研究》（1883）

书中包括了高尔顿关于心理表象、词语联想、作为智力指标的感觉辨别，以及双生子研究的内容。

《指纹学》（1892）

高尔顿关于指纹研究的重要专著。在书中作者总结了指纹的特性和应用。

《一生的回忆》（1908）

这是高尔顿写的一部详尽、生动的自传。

高尔顿对心理学的贡献，大概可以归纳为差异心理学、心理测量的量化和实验心理学三方面：

差异心理学

他率先研究个体差异。他在伦敦南肯辛顿博物馆他的人类测量实验室内，利用仪器作人类学测量及心理测量。测量项目有身高、体重、肺活量、拉力和握力、扣击的速率、听力、视力、色觉等，以研究能力的个体差异。又用问答法研究意象的个体差异。要求被试先确定一件事，如早餐的情境，然后被试回忆心中出现餐桌上实物的意象，如食物的鲜明度、确定度等。对答案整理后，他发现被试的意象有很大的个体差异：有的人以肌肉运动觉意象为主，有的人以听觉意象为主，有的人以视觉意象为主。他强调遗传是形成个体差异的原因。他通过谱系调查，论证遗传因素与个体差异的关系。他是第一个明确提出普通能力和特殊能力主张的人。他认为普通能力和特殊能力是遗传的。

心理测量的量化

心理学研究的量化，也始自高尔顿。他发明了许多感官和运动的测试，并以数量代表所测得的心理特质的差异。他认为人的所有特质——不管是物质的还是精神的——最终都可以定量描述，这是实现人类科学的必要条件，所以他最先应用统计法处理心理学研究资料，重视数据的平均数与高中差数。他收集了大量资料证明人的心理特质在人口中的分布如同身高、体重那样符合正态分布。他在论及遗传对个体差异的影响时，首次提到了相关系数的概念。比如他研究了“居间亲”和其成年子女的身高关系，发现居间亲和其子女的身高有正相关，即父母的身材较高，其子女的身材也有较高的趋势。反之，父母的身材较低，其子女也有较矮的趋势。同时发现子女的身高常与其父母略有差别，而呈现“回中”趋势，即回到一般人身高的平均数。

实验心理学

1883年，高尔顿出版了《人类才能及其发展的研究》，书中概述了两项在实验心理学中极为重要的研究方法和成果。第一个是关于自由联想的实验。他事先在75张纸条上各写一个单词，每次只让受试者看一张纸条，再用一个精密的计时器测出由此引出的两个即兴产生的联想需要的时间，然后对这些联想在受试者的经验中的可能起源进行分析。他发现最经常的联想往往来自遥远的童年。第二个是关于心理意象的广泛调查。他要求受试者先想一件确定的东西，然后尽量注意自己的“心视”画面，并回答如明亮度、清晰度、色彩等一系列问题，并按其强度记分。值得一提的是，在这些研究中，他首先在心理学中引进了调查表和评分办法。他对实验心理学的贡献还包括他所发明的一系列心理测验仪器和测验方法。有些仪器后来就以他的名字来命名，例如测量听觉阈的高尔顿笛和测量视觉范围的高尔顿棒。这些仪器直到20世纪30年代都是心理实验室的标准仪器。他还用盛有不同物质的瓶子来测验嗅觉，这一方法一直被后人沿用。除此之外，他又设计了测量肌肉感觉、反应力、触觉的仪器和方法。

高尔顿对遗传学也做出了突出贡献，主要体现在他把定量化的分析方法引入到遗传研究中。这种方法在《遗传的天才》中得到了充分的发挥。例如，他考察了英国1660—1865年间的286名法官，发现其中共有属于85个不同家族的109人有亲属被列入1865年版的《名人辞典》。通过量化统计，高尔顿得出两个推论：第一，平均每100个英国法官的亲属中就有8.4个“名人父亲”、7.6个“名人兄弟”、11.7个“名人儿子”等等，共计38.3个“名人亲属”；第二，名人出现的比率按亲疏程度大致呈1/4的规律递减。

高尔顿对指纹学的主要贡献在于他从生物学角度对指纹进行分类研究，指出了指纹的应用价值。1888年，高尔顿受邀参加英国皇家学会科学知识普及会召开的伯特隆人体测量法讨论会，在会上听取了各方面的报告，其中包括指纹在中国的应用。他详细地了解了伯特隆的测量方法，从此对指纹术产生了兴趣。经过研究，他提出了以前研究指纹术的赫谢尔和福尔斯都没想过的问题——指纹分类编码。通过指纹分类编码，能把大量指纹按类纹型和十指顺序有规律地排列，便于查对。他吸收了伯特隆的人体测量尺码分类公式，把指纹分为拱、环、轮三类，1891年，在《自然》杂志发表了文章。1892年他出版了专著《指纹学》，书中影印有一张1882年一个美国人的订货单，上面印有指纹，这是西方发现的第一张有指纹印的单据。高尔顿的研究得出三个重要结论：指纹终身不变；指纹可以识别；指纹可以分类。

高尔顿在研究个体差异时，强调遗传是形成个体差异的原因。他通过谱系调查，论证了遗传因素与个体差异的关系。他是第一个明确提出普通能力和特殊能力主张的人。他在调查了1768—1868年这100年间英国的首相、将军、文学家和科学家共977名获得智力成熟的人的家谱后发现，其中有89个父亲、129个儿子、114个兄弟，共332名杰出人士。而在一般老百姓中每4000人才产生一名杰出人士。因此他认为普通能力是遗传的。在调查30家有艺术能力的家庭中，他发现这些家庭中的子女也有艺术能力的占64%；而150家无艺术能力的家庭，其子女中只有21%有艺术能力，因此断言艺术能力这种“特殊能力”也是遗传的。他发现，遗传随着亲属关系程度的降低，杰出亲属的比例也显著地下降。他还用80对双生子的资料，以双生子比其他亲兄弟、亲姐妹在心理特点上更为相像的事例，证明人的心理完全是遗传的。由此也使他第一个注意到同卵双生和异卵双生在评估遗传和环境因素在人的变异方面的相对作用的方法论的重要性。高尔顿根据遗传与个体差异的关系倡导善择配偶，改良人种，并在1883年《人类才能及其发展的研究》一书中首创“优生学”这一术语。1904年，高尔顿出资在伦敦大学设立了一个优生学讲座，还在该校设立了世界上第一个优生学档案馆，并于两年后改为优生学实验室。

高尔顿的学术继承人、统计学家、心理学家皮尔逊在提到高尔顿的博学时有个有趣的说法：“高尔顿比10个生物学家中的9个更懂数学和物理，比20个数学家中的19个更懂生物，而比50个生物学家中的49个更懂疾病和畸形儿的知识。”

美国心理学家赫根汉在评价高尔顿对心理学的诸多贡献时说：“很少有人能像高尔顿那样对心理学做出了这么多的‘第一’——第一个研究了遗传和后天教养对人的影响、第一个使用了调查问卷、第一个使用了词语联想测验、第一个进行双生子研究、第一个研究了表象、第一个进行了智力测验、第一个使用了相关统计技术。”

英国皇家统计学会在高尔顿去世后发布的讣文中说：“任何和他接触过的年轻人都不会忘记他的热情和平易近人的态度，他友善而自然的谈吐。他是少有的几个让你和他一接触就油然升起崇敬之情的人之一。”