Gegenbaur studierte Medizin in Würzburg von 1845 an. Nach Assistenzzeit am Julius-Spital begann er mit Forschungen in vergleichender Anatomie. 1854 Habilitation für Anatomie und Physiologie, 1855 außerordentlicher, 1858 ordentlicher Professor der Anatomie in Jena. 1873-1901 Ordinarius für Anatomie in Heidelberg.

Führender vergleichender Anatom. Sein erstes größeres Werk über die vergleichende Anatomie der Wirbeltiere erschien 1859 zur selben Zeit wie Darwins Buch über die Entstehung der Arten und lieferte eine wichtige Unterstützung der Darwinschen Vorstellung. Er gehörte zu Darwins ersten Anhängern. Die von ihm vertretene vergleichendanatomische Betrachtung (als Ergänzung der hergebrachten rein beschreibenden Anatomie) führte zu einem tieferen Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion der Organe.