Mayer z toho urobil znamenitý záver: Pretože teplo a práca sa získavajú jednou cestou, a to na účet chemických reakcií v organizme, teplo a práca sa môžu navzájom premieňať. Táto myšlienka bola prvým krokom pre zistenie zákona zachovania a premeny energie. Odvtedy Mayer všetky tvorivé sily venoval dokázaniu tohto veľkého prírodného zákona.
Po skončení cesty sa Mayer vrátil do svojho rodného mesta Heilbroonu a začal rozvíjať a formulovať svoju geniálnu myšlienku. Výsledky svojho bádania uverejnil vo viacerých článkoch.
Svoju prvú prácu už z roku 1841 O kvantitatívnom a kvalitatívnom určení síl poslal redaktorovi časopisu Annalen der Physik (Fyzikálne anály) Poggendorffovi. Prácu však neuverejnili ani nevrátili autorovi, hoci o to žiadal. Rukopis neskôr našli v Poggendorffových spisoch po jeho smrti a uverejnené boli až roku 1881. Druhá Mayerova práca Poznámky o silách neživej prírody vyšla tlačou v roku 1842 v časopise Annalen der Chemie und Pharmacie (Chemické a farmaceutické anály). Časopis vydával známi nemecký chemik Liebig. Tu Mayer formuluje svoju základnú myšlienku o vzájomných premenách kvalitatívne odlišných foriem energie. Pod „silou“ rozumie mieru mechanického pohybu v leibnizovskom zmysle. Cieľom práce je vyjasniť pojem síl a ich vzájomných premien. „Sily sú príčiny, teda možno na ne uplatniť axiómu: príčina sa rovná účinku.“ Základnou vlastnosťou síl je ich nezničiteľnosť. Druhá vlastnosť príčin je ich schopnosť nadobúdať rozličné formy. „Príčiny sú objekty (kvantitatívne) nezničiteľné a (kvalitatívne) schopné premeny.“
V tejto práci uverejnil aj odvodenie číselnej hodnoty mechanického ekvivalentu tepla. Problematiku stavia nasledovne: „Mali by sme napr. určiť ako vysoko nad povrchom zeme musí byť vyzdvihnuté bremeno, aby jeho „sila padania“ (potenciálna energia) bola ekvivalentná zahriatiu rovnakého množstva vody z 0 °C na 1 °C.“ Mayer ukázal, že tento výpočet možno vykonať na základe rôznosti merných tepiel plynu pri konštantnom tlaku a pri konštantnom objeme. Opieral sa o známe údaje a zistil, že „pád jednotky váhy z výšky 367 m zodpovedá zohriatiu rovnakého množstva vody z 0 na 1 °C.“
Ďalej si Mayer všíma nízku účinnosť parných strojov. V tejto súvislosti vyslovil názor, že v strojoch by bolo výhodnejšie meniť chemickú energiu paliva napr. na elektrickú a len potom na mechanickú prácu.
Mayer sa veľmi znepokojoval tým, že jeho myšlienky ostávali vo vedeckom svete nepovšimnuté. Preto napísal novú prácu Organický pohyb v súvise s látkovou výmenou, v ktorej zreteľnejšie formuluje svoje závery. Vyjadril tu svoju konečnú formuláciu zákona zachovania a premeny energie.