Как ученый Гекатей был в той же мере географом, как и историком (обе эти науки, в наше время так далеко ушедшие друг от друга, родились сросшимися между собой как сиамские близнецы). Как и Геродот, Гекатей в течение своей жизни очень много путешествовал. Он объездил значительную часть Персидской державы, побывал в Египте, хорошо знал берега Черного моря, возможно, добирался даже до Испании. Собранный им во время странствий обширный материал географического, этнографического и исторического характера был использован Гекатеем при работе над одним из двух главных его сочинений, которое было названо им Περιήγησις или «Землеописание» (буквально: «Объезд Земли»). Книга эта, насколько можно судить по сохранившимся отрывкам и ссылкам в более поздней литературе, представляла собой своеобразный путеводитель по странам древнего Средиземноморья. В его основу был положен маршрут круиза, начинавшегося от столбов Геракла и проходившего далее вдоль средиземноморского побережья Испании и Галлии, тирренского и адриатического побережий Италии, затем вокруг всей Греции и Фракии с заходом в Понт Евксинский и путешествием вокруг него. После этого Гекатей возвращался в Средиземное море и объезжал его теперь уже в обратном направлении — с востока на запад, вплоть до выступа Ливии, сближающегося с крайней южной оконечностью Европы. Маршрут «Землеописания» охватывал, таким образом, три уже известные в то время грекам части света: Европу, Азию и Ливию (Африку) в их примыкающих к Средиземному морю областях, хотя четкого разграничения между ними еще не было. Ливию Гекатей еще рассматривал как часть Азии. Границей между Европой и Азией мыслилась река Фазис (Рион). Землю Гекатей представлял себе в виде огромного круга, омываемого рекой Океан (эта концепция уходит своими корнями в мифологию; впервые ее следы обнаруживаются в гомеровской «Одиссее»). С Океаном сообщаются практически все моря и большие реки земного круга, в том числе Нил, Истр и Фазис. Картина мира у Гекатея существенно отличается от того, что мы находим у его предшественников, и прежде всего в поэмах Гомера и Гесиода. Географические представления Гекатея гораздо более логичны, рациональны и в значительной мере освобождены от всего того сказочного материала, которым так щедро оснащали свои описания дальних стран древние поэты. Фантастические мотивы появляются лишь в описании вымышленных народов, населяющих отдаленные окраины земного круга. Сюда относятся пигмеи, враждующие с журавлями, скиаподы, люди с огромными ступнями, закрывающиеся ими от солнца, и обитатели Крайнего Севера — гипербореи.
Как видно по сохранившимся отрывкам, в книге Гекатея содержалось немало интересных сведений о нравах и обычаях народов земли. Он сообщает, например, что пеоны пьют пиво из ячменя или проса и мажутся коровьим маслом, египтяне едят кислый хлеб (килластий) и употребляют напиток из ячменя. У Гекатея мы находим любопытное сообщение о городе невольников в Ливии. Любой раб, пришедший в этот город издалека, получал свободу. Выкупом служил камень, который он должен был принести с собой.
Описание Земли в книге Гекатея носило систематический характер. Он последовательно перечислял все народы, обитавшие в той или иной стране, говорил о их городах и святилищах, о характере самой местности, ее почве, флоре и фауне. Он не просто фиксировал положение того или другого народа, но стремился выяснить его происхождение, узнать, откуда он пришел, касаясь в этой связи переселений различных племен, например пеласгов, гефиреев. В ряде случаев он подробно останавливался и на истории той или иной страны или народа. Особенно занимала его история стран Востока. Есть основание думать, что в своем сочинении Гекатей прослеживал возвышение, могущество и упадок отдельных восточных монархий в той последовательности, в которой они сменяли друг друга (Египет, Вавилон, Ассирия, Мидия и Персия), завершая все свое повествование рассказом о современных ему событиях, т. е. о начале греко-персидских войн. В значительной части «Землеописание» было, таким образом, как бы сводной историей стран, лежащих за пределами самой Греции. В этом отношении Гекатей предвосхищал тот тип универсального исторического труда, который позднее приобрел свою классическую форму под пером Геродота. К «Землеописанию» была приложена географическая карта — одна из первых в истории мировой науки (самая первая была создана Анаксимандром около 550 г. до н. э.).
Другой труд Гекатея, известный нам опять-таки только по ссылкам, назывался «Генеалогия» или «История» и состоял из четырех книг (события от Девкалионова потопа до Ионийской колонизации). Сочинение это начиналось словами: «Гекатей из Милета так говорит: Это я пишу, как оно мне кажется истинным, ибо рассказы эллинов многочисленны и смешны, как мне кажется». Здесь мы видим, таким образом, сознательную установку на критический пересмотр и даже отрицание всей предшествующей традиции. Историческая наука, еще не успев по-настоящему родиться, уже вступает в спор со своими противниками. Главным объектом нападок Гекатея в «Генеалогии» стали древние греческие предания и мифы (они служили для него и источниками фактического материала, без которых ему попросту не о чем было бы писать). Критика мифов ведется в этом сочинении с наивно рационалистических позиций. Главным орудием критики служит собственный здравый смысл историка. Он отвергает как вымысел все, что кажется ему неправдоподобным. Геракл не мог спускаться в Аид, чтобы изловить там Кербера. Никакого Кербера вообще не было в природе. Легковерные люди принимали за него большую ядовитую змею, которая обитала некогда в пещере на мысе Тенар (в древности здесь находился один из главных входов в подземное царство). Еще один пример. Согласно мифу, великан Герион, у которого Геракл угнал его чудесных быков, обитал на острове Эрифея, расположенном в Атлантическом океане где-то за Иберией. Гекатей уверен, что Геракл не мог совершить столь далекое путешествие, и поэтому передвигает Эрифею ближе к Греции в Адриатическое море. Сам факт угона быков им не оспаривается. Отвергая миф о прибытии в Арголиду сыновей Египта из страны, носившей то же название, Гекатей утверждает, что на берегах Арголиды существовал некий мыс, называвшийся Египтом, на котором в древности местные жители устраивали судилища. Как мы видим, в своей критике мифов Гекатей не заходит дальше того, что ему позволяла его набожность и его общественное положение. В большинстве случаев он удовлетворяется лишь весьма умеренной редакционной правкой предания, не покушаясь на бо́льшее. Решительный разрыв с мифологией был невозможен хотя бы потому, что и сам историк, как мы уже видели, тешил себя мыслью о божественном происхождении своего рода.