Als Hensen seine universitäre Karriere in Kiel begann, waren für eine Habilitation lediglich die abgeschlossene Promotion und Disputation sowie die Zustimmung der Fakultät notwendig, sodass Hensen keine Habilitationsschrift vorlegen musste und sich im Jahr seiner Promotion auch sogleich als Privatdozent habilitierte. Hensen ist vor allem für seine grundlegenden Beiträge zur Meeresforschung bekannt. So prägte er beispielsweise den Begriff 'Plankton' und gilt als Begründer quantitativer Untersuchungsmethoden in der Meeresforschung. In diesen Bereich fallen auch Hensens Beiträge zur Fischerei-Statistik. Sein wissenschaftliches Interesse berührte jedoch auch zahlreiche andere Themen: So arbeitete Hensen zu Glykogen, Embryologie und der Physiologie der Sinnesorgane und der Zeugung. Er beschrieb erstmals einen Teil der Anatomie des Innenohrs, der nach ihm benannt ist. Außerdem gewannen Hensens Untersuchungen zu Regenwürmern die Anerkennung Charles Darwins. Hensens langjährige wissenschaftliche Tätigkeit schlägt sich in seinen über 100 Publikationen nieder und wurde durch zahlreiche Auszeichnungen geehrt.