Owen studierte Medizin und wandte sich als Kurator der Anatomischen Sammlung des Royal College of Surgeons der vergleichenden Anatomie zu. Er wurde 1860 Direktor der Naturhistorischen Abteilung des British Museum und baute dessen Gebäude in South Kensington. Er besaß ein umfassendes Wissen über Morphologie lebender wie fossiler Tiere aller Art und bearbeitete mit Charles Darwin die von diesem auf seiner Beagle-Reise gesammelten fossilen Säugetiere. Später wurde er, als überzeugter Anhänger der Cuvierschen Lehre von der Unwandelbarkeit der Arten zum erbitterten und, kraft seines großen Wissens und seines Ansehens, zum sehr gefährlichen Feind der Darwinschen Evolutionslehre. Ungeachtet seiner theoretischen Voreingenommenheit war er der erste, der die Begriffe von Homologie und Analogie klar definierte und eine einheitliche Nomenklatur der Wirbeltierknochen einführte. 

Wie Goethe nach typologischen Gesichtspunkten die Urpflanze zu rekonstruieren trachtete, versuchte Owen dies mit dem Typus des Wirbeltieres — und entdeckte dabei die von Wirbeln abzuleitenden Bestandteile des Schädels. Obwohl Entwicklungslehre und Mikroskopie nicht in seinem Interessengebiet lagen, entdeckte er 1834 die Trichine als gefährlichen Parasiten des Menschen.