Предпринял со своим другом А. Р. Уоллесом исследование Амазонки. Благодаря поддержке Британского музея он отправился в 1848 г. в Америку и в продолжение одиннадцати лет изучал Амазонку с большими её притоками. Уоллес пробыл с ним вместе только 4 года. Возвратившись в 1859 г. Бейтс привез в Лондон богатейшие коллекции, преимущественно зоологические, и издал описание своего путешествия под заглавием «The naturalist on the river Amazone» (Лондон, 1863; русск. пер. СПб., 1867). В следующем 1864 году он был сделан секретарем Лондонского зоологического общества. Кроме того, имеются следующие его труды: «Contributions to the insect fauna of the Amazon valley» (Лондон, 1867); «Central America. West Indies and South America» (Лондон, 1877).
Бейтс открыл явление мимикрии и дал ему объяснение (опубликовано в 1862). Случаи подражания съедобного для других животных насекомого несъедобным называются «бейтсовской» мимикрией.
Бо?льшая часть собранных Бейтсом коллекций насекомых (свыше 14,7 тыс. видов, в том числе 8 тыс. ранее неизвестных науке), находятся в Британском музее.
