Möbius erforschte u.a. die wechselseitige Abhängigkeit zwischen allen Lebewesen einer Austernbank und prägte dafür den Begriff der Biozönose oder 'Lebensgemeinde' "für eine den durchschnittlichen äußeren Lebensbedingungen entsprechende Auswahl und Zahl von Arten und Individuen, welche sich gegenseitig bedingen und durch Fortpflanzung in einem abgemessenen Gebiet dauernd erhalten" (Schramm 1984, S. 161). Das Biozönose-Konzept ist ein wesentliches Konzept der Synökologie.
Mit seiner Professur für Zoologie 1887 übernahm Möbius die Direktion der Zoologischen Sammlung im zur Universität gehörigen Museum für Naturkunde, später leitete er als Direktor das ganze Haus. Zum beiderseitigen Vorteil für Besucher und Forscher trennte er die wissenschaftliche Hauptsammlung von der öffentlichen Schausammlung. Möbius veröffentlichte u.a.: Kurzer Ueberblick der in der Kieler Bucht von uns beobachteten wirbellosen Thiere, als Vorlaeufer einer Fauna derselben (1862); Ueber den Bau, den Mechanismus und die Entwicklung der Nesselkapseln einiger Polypen und Quallen (1866); Ueber Austern- und Miesmuschelzucht und die Hebung derselben an den norddeutschen Küsten (1870); Die Bewegung der fliegenden Fische durch die Luft nach eigenen und fremden Beobachtungen beschrieben und erklärt (1878); Die Fische der Ostsee (1883); Anleitung zum Sammeln, Konserviren und Verpacken von Thieren für die zoologische Sammlung des Museums für Naturkunde in Berlin (1896).