Ani Darwin, ani nikdo jiný v jeho době neznal odpověď na „druhový problém“: jak se může vyvinout více druhů z jednoho společného předka. Ernst Mayr přistoupil k problému s novou definicí pojmu „druh“. Ve své knize Systematika a původ druhů (1942) napsal, že druh není jen skupina morfologicky podobných jedinců, ale skupina, která se může množit pouze mezi sebou, s vyloučením všech ostatních. Když se populace organismů izolují, začnou se dílčí populace lišit genetickým driftem a přirozeným výběrem v průběhu času, a tím se vyvinou v nové druhy. K nejvýznamnější a nejrychlejší genetické reorganizaci dochází u extrémně malých populací, které byly izolovány.
Jeho teorie peripatrické speciace (přesnější forma alopatrické speciace, kterou rozvinul) založená na jeho práci o ptácích je stále považována za přední způsob speciace a byla teoretickým podkladem pro teorii přerušované rovnováhy. Mayrovi je obecně připisován vynález moderní filozofie biologie, zejména evoluční biologie, kterou odlišil od fyziky, pro její zavedení (přírodních) dějin do vědy.
Mayr se narodil v Kemptenu a středoškolské vzdělání dokončil v Drážďanech. V roce 1923 nastoupil na Greifswaldskou univerzitu a podle samotného Mayra „studoval medicínu (aby uspokojil rodinnou tradici).“ Mayr se nekonečně zajímal o ornitologii a „pro svá studia si vybral Greifswald u Baltu jen z toho důvodu, že se nachází v ornitologicky nejzajímavější oblasti“. Přestože se údajně plánoval stát lékařem, byl „v první řadě ornitologem“. Po dokončení preklinických studií v roce 1925 byl Mayr seznámen s Erwinem Stresemannem kvůli jeho údajnému pozorování Pochardů rudých v Německu, druhu, který nebyl v Evropě spatřen 77 let. Po náročném výslechu Stresemann pozorování přijal a zveřejnil jako autentické. Stresemann mu nabídl místo v berlínském muzeu a vyhlídku na výlety za sběrem ptáků do tropů pod podmínkou, že doktorské studium dokončí za 16 měsíců. Mayr dokončil doktorát z ornitologie na univerzitě v Berlíně v červnu 1926 ve věku 21 let a přijal nabízené místo v muzeu.
Na Mezinárodním zoologickém kongresu v Budapešti v roce 1927 byl Mayr představen Stresemannem bankéři a přírodovědci Walteru Rothschildovi, který ho požádal, aby jménem svým a Amerického přírodovědného muzea v New Yorku podnikl expedici na Novou Guineu. Na Nové Guineji nasbíral Mayr několik tisíc ptačích kůží (během svého života pojmenoval 26 nových druhů ptáků) a během toho také pojmenoval 38 nových druhů orchidejí. Během svého pobytu na Nové Guineji byl pozván, aby doprovázel expedici Whitney South Seas na Šalamounovy ostrovy.
V roce 1930 se vrátil do Německa a v roce 1931 přijal kurátorské místo v Americkém přírodovědném muzeu, kde sehrál důležitou roli při zprostředkování a získání sbírky ptačích kůží Waltera Rothschilda, která se prodávala, aby se vyplatil vyděrači. Během svého působení v muzeu vydal řadu publikací o ptačí taxonomii a v roce 1942 svou první knihu Systematika a původ druhů, která završila evoluční syntézu započatou Darwinem.
Další osobou, kterou Mayrová výrazně ovlivnila, byla Margaret Morseová Nice. Mayrová ji povzbuzovala, aby si dopisovala s tehdejšími evropskými ornitology, a pomáhala jí v její přelomové studii o Song Sparrows. Nice napsala v roce 1932 Josephu Grinnellovi ve snaze získat recenzi zahraniční literatury v časopise Condor: „Příliš mnoho amerických ornitologů opovrhovalo studiem živého ptáka; časopis[y] a knihy, které se tímto tématem zabývají, oplývají neopatrnými prohlášeními, antropomorfními interpretacemi, opakováním dávných omylů a dalekosáhlými závěry z žalostného množství faktů. … v Evropě je studium živého ptáka bráno vážně. Z jejich psaní bychom se mohli hodně naučit.“ Mayrová zajistila, aby Nice mohla vydat své dva svazky Studies in the Life History of the Song Sparrow, našla jí vydavatele a její knihu recenzovali Aldo Leopold, Grinnell, Jean Delacour. Nice věnovala svou knihu „Mému příteli Ernstu Mayrovi“.
Mayr nastoupil v roce 1953 na fakultu Harvardovy univerzity, kde také v letech 1961 až 1970 působil jako ředitel Muzea srovnávací zoologie. V roce 1975 odešel do důchodu jako emeritní profesor zoologie, zasypán vyznamenáním. Po svém odchodu do důchodu publikoval více než 200 článků, v různých časopisech – více než někteří renomovaní vědci publikují za celou svou kariéru; 14 z jeho 25 knih vyšlo po jeho 65 letech. I jako stoletý výročí pokračoval v psaní knih. Na své 100. narozeniny byl zpovídán časopisem Scientific American.
Obdržel ocenění včetně Národní medaile za vědu, Balzanovy ceny, Sartonovy medaile za dějiny vědecké společnosti a Mezinárodní ceny za biologii. V roce 1939 byl zvolen korespondujícím členem Královského svazu australasijských ornitologů. Nikdy mu nebyla udělena Nobelova cena, ale poznamenal, že neexistuje žádná cena za evoluční biologii a že Darwin by také žádnou nedostal. Mayr skutečně získal v roce 1999 Crafoordovu cenu. Tato cena oceňuje základní výzkum v oborech, které nesplňují podmínky pro udělení Nobelovy ceny a jsou spravovány stejnou organizací jako Nobelova cena.
Mayr byl spoluautorem šesti globálních recenzí ptačích druhů, které jsou pro vědu nové (uvedených níže).
Byl také ateistou a tvrdil, že „neexistuje nic, co by podporovalo myšlenku osobního Boha“.
Jako tradičně vystudovaný biolog s malými matematickými zkušenostmi byl Mayr často velmi kritický k raným matematickým přístupům k evoluci, jako byly ty od J. B. S. Haldanea, který v roce 1959 proslul tím, že takové přístupy nazval „genetikou pytlíku fazolí“. Tvrdil, že je třeba brát v úvahu faktory jako reprodukční izolaci. Podobným způsobem byl Mayr také poměrně kritický k molekulárním evolučním studiím, jako byly ty od Carla Woese.
V mnoha svých spisech Mayr odmítal redukcionismus v evoluční biologii s argumentem, že evoluční tlaky působí na celý organismus, ne na jednotlivé geny, a že geny mohou mít různé účinky v závislosti na ostatních přítomných genech. Prosazoval studium celého genomu spíše než izolovaných genů. Současné molekulární studie v evoluci a speciaci naznačují, že ačkoliv se zdá, že alopatrická speciace je normou ve skupinách (možná u těch s větší pohyblivostí), jako jsou ptáci, existují četné případy sympatrické speciace u mnoha bezobratlých (zejména u hmyzu).
Poté, co Mayr v roce 1942 formuloval koncept biologických druhů, hrál ústřední roli v debatě o tom, co je nejlepší koncept druhů. Neochvějně obhajoval koncept biologických druhů proti mnoha definicím „druhů“, které navrhovali jiní.