Heymans, catedrático de farmacología y rector de universidad, estudió medicina en la Universidad de Gante y más tarde en París, Lausana y Londres.

Trabajó bajo la dirección de su padre en el Instituto de Farmacodinámica y Terapéutica de Gante, centro fundado por su progenitor, y que pasó a dirigir tras la muerte del mismo.

Investigó inicialmente los receptores del sistema vascular, que permiten al sistema nervioso vegetativo regular la presión arterial.

Hacia 1929 descubrió la sensibilidad del seno carotídeo y del cayado aórtico a ciertas variaciones químicas de la sangre, sensibilidad que permite regular la respiración de modo que llegue la cantidad adecuada de oxígeno al corazón y al encéfalo.

Sus estudios sobre la circulación se centraron en las variaciones del diámetro de los vasos.