Пройдя обучение в университете, Марчелло в 1653 году защитил диссертацию на степень доктора медицины. Спустя три года ему поручили чтение лекций по медицине в Болонской высшей школе (Archiginnasio), но его враги и завистники, одним из которых был профессор теоретической медицины Монтальбани, до того отравляли ему жизнь своими преследованиями, что он охотно принял предложение герцога Тосканского Фердинанда II занять вновь учрежденную кафедру теоретической медицины в Пизе. В конце 1656 года экстраординарный профессор Мальпиги приступает к чтению лекций.
В доме профессора математики Альфонсо Борелли, с которым сблизился Мальпиги, анатомы производили вскрытия животных. Великий герцог Тосканский Фердинанд и принц Леопольд присутствовали при анатомических вскрытиях и вообще относились к происходящему в кружке с живейшим интересом. В дальнейшем они приглашали ученых во дворец для демонстраций. Благодаря интересу правящих лиц к анатомии и физиологии, в 1657 году возникла Экспериментальная академия, основанная принцем Леопольдом и приобретшая впоследствии большую известность.
В этот период Мальпиги ведет исследования над природой крови, пишет работы о моче, о действии слабительных, о пищеварении. Однако работа его прерывается известием о распре, разгоревшейся между его братом Бартоломео и соседним семейством Сбаралья, владения которого граничили с землями семейства Мальпиги в Кревалькоре. Этой сваре, сделавшейся хронической и принявшей весьма резкие формы, суждено будет часто вторгаться в жизнь ученого. Отчасти по нездоровью, частично из желания быть поближе к своему дому и родне Мальпиги получает разрешение у великого герцога возвратиться в Болонью. Здесь он снова занимает в университете профессорскую кафедру.
Ох уж этот итальянский темперамент. В конце 1659 года на Мальпиги обрушилась очередная неприятность. Его брат Бартоломео и представитель враждебной семьи доктор Томммазо Сбаралья встретились вечером на одной из улиц Болоньи и затеяли драку, в ходе которой Бартоломео смертельно ранил Томмазо ударом стилета. Бартоломео был осужден к смертной казни, но, просидев полтора года в тюрьме, пока не окончилась тяжба между семьями, по ходатайству Мальпиги был помилован. На второй год после своего возвращения в Болонью Мальпиги был глубоко огорчен смертью своего второго учителя Андреа Мариани (1661 г.). В том же году в Мессини освободилась кафедра медицины (после смерти профессора Пиетро Костелли) и мессианский сенат пригласил на эту кафедру Мальпиги. Получив четырехлетний отпуск от руководства Болонского университета, он в октябре 1662 года выехал в Мессину. Здесь, в Мессине, Мальпиги занимался преимущественно анатомией растений.
В 1684 году Мальпиги приобрел в собственность виллу в Кортичелли близ Болоньи. В этом же году его вновь постигло несчастье: в его доме, в Болонье, случился пожар, уничтоживший значительную часть его имущества, микроскопы и большое количество рукописей, содержавших ценные научные материалы. В 1689 году на него обрушилось еще одно несчастье. Пропорционально славе Мальпиги росла и неприязнь к нему Монтальбани. Недоброжелатели Мальпиги, не будучи в состоянии навредить его научной репутации, задумали причинить ему материальный урон. Один из членов семьи Сбаралья и некто Мини, неоднократно нападавший на Мальпиги в полемических статьях, организовали шайку молодых людей, которая напала на виллу в Кортичелли. В результате атаки обстановка внутри дома была разгромлена, научные приборы и материалы сожжены.
Это происшествие окончательно истощило терпение 61-летнего Мальпиги. Он отказался от чтения лекций и уединился в своем доме. В 1691 году Мальпиги принял приглашение римского папы и отправился в Рим, где был назначен личным врачом Иннокентия XII. В Риме он сильно хворал, давала о себе знать подагра. 25 июля 1694 года у него случился апоплексический удар, после которого он оправился и стал работать, готовя свои научные труды к изданию. Вскоре скончалась его жена. Смерть любимого человека причинила ему глубокое страдание, он был безутешен. 29 ноября 1694 года последовал второй апоплексический удар, который через сутки унес жизнь Мальпиги. При его вскрытии обнаружили сильно увеличенное сердце и следы кровоизлияния в мозговые желудочки. Тело согласно завещанию было предано земле в Болонье. В честь Мальпиги в Болонье была выбита медаль, в университете поставлена его статуя и рядом, словно в насмешку, статуя его врага доктора Сбаралья.
Деятельность Мальпиги была разносторонней: он был пионером в области гистологии, эмбриологии, анатомии, ботаники, даже минералогии (написал статью о происхождении металлов). Строго говоря, его скорее можно назвать предтечей, чем основателем этих научных дисциплин. Кроме того, он был также ученым-медиком и практическим врачом, причем врачом-клиницистом, который интересовался болезнями не только с точки зрения врачевания, но и как предметом изучения: он не упускал случая присутствовать при вскрытиях лиц, умерших от тех или иных болезней, и знакомиться с болезнями, выявленными в их органах.
Научные достижения доктора Мальпиги огромны. Он был первым ученым, который занимался систематическими и целенаправленными микроскопическими исследованиями. Это позволило ему сделать ряд важных открытий. Так, в 1660 году он описал альвеолярное строение легких (у лягушки) и кровяные тельца (у ежа).
Занимаясь ботаникой, Мальпиги описал воздухоносные трубки (1662 г.) и сосуды (1671 г.) у растений, опубликовал капитальный труд «Анатомия растений» (двухтомник, 1675–1679). Именем Мальпиги названо семейство двудольных свободнолепестковых растений (Malpigiaceae).
Важнейшей заслугой Мальпиги, конечно, является открытие капиллярного кровообращения (объектом исследования был мочевой пузырь лягушки), дополнившее теорию кровообращения Гарвея. Мальпиги пользовался микроскопом, поэтому обнаружил то, чего не мог видеть Гарвей. Спустя четыре года после смерти Гарвея, то есть в 1661 году, Мальпиги опубликовал результаты наблюдений над строением легкого, и впервые дал описание капиллярных кровеносных сосудов, соединяющих артерии с венами. Таким образом, была раскрыта последняя тайна системы кровообращения.
Марчелло Мальпиги подробно описал строение легкого, указав, что оно состоит из бесчисленного количества мелких пузырьков, опутанных сетью капиллярных кровеносных сосудов. Однако ученый не смог установить, в чем заключается роль легких в организме животного и человека. Тем не менее он категорически опроверг теорию Галена об охлаждении крови; однако высказанное им мнение, что кровь в легких перемешивается, тоже было не верно.
Открытие капиллярных кровеносных сосудов и описание строения легких не единственная заслуга Мальпиги. Он дал подробное описание строения почек, в которых обнаружил клубочки, названные впоследствии мальпигиевыми тельцами. Мальпигиевы тельца 1) в почках человека и позвоночных животных (за исключением некоторых рыб), клубочки артериальных капилляров, в которых фильтруется жидкость из крови в мочевые канальцы; 2) в ретикулярной ткани селезёнки лимфоидные узелки, в которых образуются лимфоциты.
Кроме того, Мальпиги описал строение кожи, ростковый слой эпидермиса кожи и микроскопическое строение ряда тканей и органов растений, животных и человека: лимфатические тельца селезенки, пирамидки и клубочки в почке, выделительные органы насекомых. Все эти образования названы его именем: Мальпигиевы сосуды, выделительные органы у многих паукообразных, многоножек и насекомых. Длинные трубчатые выросты кишечника на границе средней и задней кишки выводят мочевую кислоту (у многоножек и насекомых) и преимущественно гуанин (у паукообразных). У водных насекомых участвуют в осморегуляции.
В заключение исправим оплошность историков медицины и коротко упомянем о достижениях несправедливо забытого соотечественника Мальпиги Франческо Стеллути (Stelluti, 1577–1651), итальянского ученого, врача и анатома, а с 1603 года члена Академии в Риме. Он одним из первых применил микроскоп Галилея с вогнутым окуляром для изучения анатомии животных, в частности насекомых; впервые составил в 1625 году подробное описание строения пчелы, снабдив его тщательно выполненными рисунками.
