Ellis fu uno dei fondatori della sessuologia. È stato co-autore del primo manuale di medicina inglese sull'omosessualità nel 1897 ed ha anche pubblicato opere su varie pratiche e inclinazioni sessuali, nonché sulla psicologia transgender.
La traduzione in lingua inglese del suo libro intitolato Sexual Inversion, co-autore assieme a John Addington Symonds (originariamente pubblicato in lingua tedesca nel 1896), fu il primo testo medico inglese sull'omosessualià.
L'opera descrive le relazioni sessuali dei maschi omosessuali, compresa la pederastia ma, anche se il termine "omosessuale" fu utilizzato da Ellis, egli scrisse nel 1897 che "'il termine omosessuale è una parola barbatamente ibrida, e non mi prendo alcuna responsabilità nel facilitarne la diffusione".
Ricordiamo che il termine "omosessuale" fu coniato da Kertbeny fondendo il termine greco "omos" (stesso, uguale) e il termine latino "sexualis/sexus" (sessuale/sesso).
Ellis scrisse il primo studio oggettivo sull'omosessualità, in quanto non la caratterizza come una malattia né come un fatto immorale né tantomeno come un atto criminoso.
L'opera conclude affermando che l'amore tra persone dello stesso sesso trascende ogni tabù di età e di genere.
Nel 1897 la rivista The Bookseller venne perseguita per aver pubblicizzato il libro di Ellis.
La fama di Ellis raggiunse anche la scrittrice britannica lesbica Radclyffe Hall la quale aveva allora 17 anni, nel momento in cui venne pubblicato Sexual Inversion.
Più tardi si riferì a se stessa come "un'invertita sessuale" e scrisse delle donne "sexual inverts" sia in Miss Ogilvy Finds Herself, sia ne Il pozzo della solitudine. Quando ci fù il processo contro il libro di Hall, accusato di oscenità (il 14 maggio 1928) Ellis si presentò come testimone a favore della scrittrice.
Ellis studiò anche per la prima volta ciò che oggi si chiama fenomeno transgender.
Insieme al medico e attivista tedesco per i diritti degli omosessuali Magnus Hirschfeld, Ellis per la prima volta stabilisce una nuova categoria separata e distinta dall'omosessualità.
Consapevole degli studi effettuati da Hirschfeld sul travestitismo, fu però in disaccordo con la sua terminologia; nel 1913 Ellis propose il termine "sexo-aesthetic inversion" per descrivere il fenomeno del travestitismo.
Nel 1920 coniò il termine "eonismo", altro termine con cui viene indicato il transvestitismo maschile, cioè la tendenza ad abbigliarsi con abiti femminili da parte di individui di sesso maschile.
Il termine nasce dal nome dell’aristocratico francese Charles de Beaumont cavaliere d’éon (1728-1810), che nelle sue missioni come agente segreto di Luigi XV in Russia e a Londra amò travestirsi da donna, tanto da indurre dubbî nei contemporanei circa il suo sesso.
Ellis spiegò così l’eonismo:
«Sul lato psichico, come lo considero, l'Eonista incarnisce, in estrema misura, l'atteggiamento estetico dell'imitazione e dell'identificazione con l'oggetto ammirato. È normale che un uomo si identifichi con la donna che ama. L'Eonista porta l'identificazione troppo lontano, stimolato da un elemento sensibile e femminile presente in se stesso che è associato a una sessualità virile piuttosto difettosa su ciò che può essere una base nevrotica.»
Ellis trovò che l'eonismo fosse "un'anomalia notevolmente comune" e "successiva alla frequenza dell'omosessualità tra le deviazioni sessuali" e la classificò come "tra le forme transitorie o intermedie della sessualità".
Rifacendosi anche a Freud (con cui era in contatto), Ellis affermò che un "attaccamento troppo stretto alla madre" avrebbe potuto incoraggiare l'eonismo, ma considerò anche che "probabilmente esso invoca un certo equilibrio endocrino difettoso”.
Ellis sposò la scrittrice inglese e attivista dei diritti delle donne Edith Lees che però era apertamente lesbica (ed Ellis era a conoscenza dei rapporti che la moglie intratteneva con altre donne).
Al termine della luna di miele Ellis ritornò alla sua vita di scapolo e il suo "matrimonio aperto" fu l'argomento centrale del racconto autobiografico intitolato My Life.
Molto probabilmente il matrimonio ci fu perché Ellis aveva sofferto d'impotenza fino all'età di 60 anni, quando scoprì che riusciva ad eccitarsi guardando una donna urinare. Ellis chiamò questo fatto "undinismo" (urofilia). A seguito della morte della moglie Ellis intraprese una relazione sentimentale con una donna francese.
Nei suoi primi scritti risulta chiaro che Ellis fu d'accordo con la nozione di “eugenetica”: un sistema di gerarchie razziali in cui e culture non occidentali venissero considerate come "razze inferiori".
Egli usò l'argomento della prevalenza dell'omosessualità presente in queste "razze inferiori" per indicare l'universalità del comportamento. Nel suo lavoro Sexual Inversions, dove presentò numerosi casi di omosessualità in Gran Bretagna, fu sempre molto attento a menzionare la razza del soggetto.
Tuttavia Ellis fu chiaro anche nell'affermare che non riteneva che l'omosessualità fosse una questione che l'eugenetica dovesse affrontare in modo attivo, poiché credette che una volta che la pratica fosse stata accettata nella società, quelli con tendenze omosessuali avrebbero comodamente scelto di non sposarsi e quindi avrebbero cessato di tramandare la loro "eredità omosessuale”.
