Биогенетический закон подвергался критике со стороны морфологов, генетиков и представителей экспериментальной эмбриологии.
Этому закону необоснованно противопоставлялись положения о повторении онтогенеза филогенезом (Соболев, 1924), о предварении филогенеза онтогенезом (Берг, 1922б; Schindewolf, 1937), о повторении онтогенезом прошедших онтогенезов (Bertalanffy, 1928). В Гарстанг (Garstang, 1922) утверждал, что онтогенез не повторяет филогенез, а творит его.
Дискуссия по поводу биогенетического закона затронула основные вопросы теории эволюции и исторического метода, заставила задуматься о будущем морфологии, о ее роли в изучении закономерностей эволюционного процесса. Дискуссия убедила Северцова в необходимости планомерного, систематического исследования морфологических закономерностей эволюции, и в первую очередь закономерностей соотношения онтогенеза и филогенеза. Считая, что критики оказались не в состоянии опровергнуть теорию рекапитуляции и теорию ценогенеза Геккеля, Северцов попытался шире подойти к биогенетическому закону, освободить его от геккелевской трактовки, поставив явление рекапитуляции в связь с рядом закономерностей индивидуального и исторического развития.
В 1910 г. он впервые опубликовал основные положения своей теории филэмбриогенеза, призванной ответить на вопрос, каким образом и когда филогенетические изменения проявляются в онтогенезе (Северцов, 1910). В 1912 г. им была предложена обстоятельно развитая теория соотношения онтогенеза и филогенеза. В последующие годы Северцов продолжал углублять и детализировать свою теорию филэмбриогенеза, постоянно опирался на нее в филогенетических исследованиях. В свою очередь сравнительно-анатомические и эмбриологические работы Северцова и его школы позволяли совершенствовать теорию. В 1927 г. он публикует обширную работу «О соотношениях между онтогенезом и филогенезом у животных».
Заметное место теория филэмбриогенеза заняла в труде Северцова «Морфологические закономерности эволюции» (1931 г.). В последующие годы появляются статьи Северцова «Естественный подбор и филэмбриогенез» (1932), «Модусы филэмбриогенеза» (1935), «Морфологическая и гистологическая рекапитуляция» (1935). Наконец, крепнущее у Северцова убеждение, что между модусами филэмбриогенеза отсутствует непроходимая граница, что схему эволюционного преобразования онтогенеза не следует упрощать, нашло отражение в посмертном издании «Морфологических закономерностей эволюции» (1939), где был подытожен огромный опыт эволюционно- морфологических исследований Северцова и его школы.