Ben presto, però, lo studio dei nuovi testi scientifici, soprattutto "L'introduzione allo studio della medicina sperimentale" di Claude Bernard, la conoscenza delle teorie positiviste e la lettura approfondita dei grandi scrittori realisti portarono Zola a elaborare una concezione del romanzo come opera "sperimentale", guidata cioè dagli stessi criteri di obiettività che caratterizzavano la ricerca scientifica dei suoi contemporanei. L'interesse per le ricerche scientifiche sull'ereditarietà e l'influenza dell'ambiente suggerì a Zola di usare lo strumento narrativo per analizzare ogni aspetto della vita umana e documentare i mali sociali, in uno stile conciso e crudo che egli stesso chiamò naturalismo.

Nel 1867 scrisse i primi romanzi di successo, Teresa Raquin e Maddalena Ferat, apprezzati dal Taine per il loro realismo. Questo incoraggiò Zola a insistere su un'analisi della società con modi sempre più legati alla metodologia scientifica e all'analisi spietata e "clinica", secondo i criteri del Naturalismo.

Egli concepì allora, alla maniera di Balzac, l'idea di comporre un ciclo di romanzi che illustrassero la società del Secondo Impero attraverso l'epopea di una famiglia. Scrisse così, fra il 1870 e il 1883, i Rougon-Macquart, storia naturale e sociale di una famiglia sotto il Secondo Impero, un insieme di venti romanzi che tracciano la storia di una società incline ai «bagordi, dimentica le sofferenze degli umili e dedita al vizio come sua unica divinità». In questo programma di denuncia sociale si confermano i temi della nuova tendenza artistica del Naturalismo, che era stata proposta a Parigi nel 1880.

In quell'anno, infatti, era stata pubblicata una raccolta di novelle, Le serate di Mèdan, di vari autori (fra i quali Zola, Guy de Maupassant, Karl Huysmans, Paul Alexis) che avevano maturato, nella casa di Zola a Mèdan, le nuove teorie di letteratura ed arte con cui si evidenziava il rifiuto del romanticismo sentimentale e eroico e si esprimeva, invece, una ricerca viva e genuina della realtà, indagata con occhio scientifico nei suoi aspetti più umili e quotidiani, con un'indagine sperimentale. Questa raccolta fu salutata come il «manifesto del Naturalismo» e Zola fu acclamato caposcuola di questo movimento in quanto i suoi romanzi erano tutti incentrati sulla realtà sociale del tempo.

Dopo Madeleine Férat (1868) aveva scritto altri opere: Conquete de Plassans (1874), La faute de l'abbé Mouret (1875), Son excellence Eugène Rougon (1876) e soprattutto L'assomoir (1877) [traduz. L'ammazzatoio nome del locale dove le persone bevevano fino alla morte], sulle conseguenze dell'alcolismo, la più cruda descrizione dell'abbrutimento umano e il primo grande successo dell'autore.

Zola precisò e difese le sue idee naturalistiche con tre opere: Le roman expérimental (1880), Les romanciers naturalistes (1881), Le naturalisme au théatre (1881). Intanto pubblicava gli altri volumi del ciclo: Nana (1880), sulla prostituzione e la piccola borghesia; Pot-Bouille (1882), Au bonheur des dames (1883), La joie de vivre (1884), Germinal (1885), sulla vita dei minatori, che per la prima volta nella letteratura francese metteva al centro le lotte sociali. Due anni dopo Zola rappresentò in tutta la sua crudezza il mondo contadino in La terre. Il successo di Zola continuò con i volumi conclusivi del ciclo: Le rêve (1888), La bête humaine (La bestia umana, 1890), sulla follia omicida; L'argent (1891), La débacle (La disfatta, 1892), sulla caduta del secondo impero.

Nel 1894 egli concepì un nuovo ciclo, la trilogia Tre città (Roma, Lourdes, Parigi) e nel 1899 un terzo ciclo, I quattro vangeli (fecondità, lavoro, verità e giustizia. Quest'ultimo non fu mai scritto).
Queste ultime opere furono ispirate ai valori del socialismo e del cristianesimo; soprattutto l'ultimo romanzo Lavoro (1901), apologia del lavoro salariato come occasione di redenzione cristiana, riscosse un successo particolare.

Nel frattempo lo scrittore aveva aderito alle dottrine socialiste e nel 1894 intervenne con impegno nell'affare Dreyfus, prendendo le difese dell'accusato con la celebre lettera aperta al presidente della Repubblica, pubblicata sul giornale "L'Aurore" col titolo J'accuse; questo atto gli costò un anno di carcere e un breve esilio in Inghilterra ma confermò la sua immagine di guida intellettuale e morale, ormai di statura europea.

Zola morì nel 1902, asfissiato nel sonno dalle esalazioni di una stufa.

Caposcuola del Naturalismo, Zola riprese le teorie di Taine, Darwin e Bernard desumendone i canoni e applicandoli ai suoi romanzi. I presupposti teorici, pur riducendo i procedimenti della sua arte a una meccanicità schematica non gli impedirono di dare una delle più spietate e documentate testimonianze della società francese del suo tempo e degli aspri contrasti di classe che la caratterizzavano.

"Il romanziere come lo scienziato deve essere insieme osservatore e sperimentatore, considera l'arte come una riproduzione oggettiva del reale governata dalle leggi della natura, rivendica l'impegno morale dello scrittore che, mettendo in luce le cause dei fenomeni sociali, deve indurre la società stessa a intervenire per modificarli e migliorarli".