Повлиял ли на выбор дальнейшего пути ученого несправедливо скорый уход из жизни близких и любимых ему людей? Вполне вероятно. Вернувшись на студенческую скамью, Марчелло решает посвятить себя изучению медицины под руководством клинициста Андреаса Мариани и анатома Бартоломео Массари. Эти замечательные болонские профессора создали научный студенческий кружок и назвали его анатомическим хором. Что интересно, право голоса в кружке имели и ученики, в обязанность которых входило самостоятельно проводить исследования и по их результатам готовить научные доклады, так что слово «хор» в названии использовано не случайно. Овладев необходимым объемом знаний, в 1653 году Марчелло защищает докторскую диссертацию и спустя неполных три года уже читает в Болонском университете лекции по медицине и фармакологии. Яркий и эрудированный молодой ученый не мог не нажить завистников и врагов в консервативной академической среде.

Возглавил армию недоброжелателей профессор теоретической медицины Монтальбани, ретроград и противник любой новой мысли.

Этот преподаватель известен тем, что понуждал своих студентов приносить придуманную им присягу с такими словами: «Никогда не допущу, чтобы при мне опровергали или уничтожали Аристотеля, Галена, Гиппократа и других и их принципы и выводы». Существовать в условиях ежеминутного ожидания едкого словца, гадких сплетен и закулисных интриг для выросшего в обстановке любви и дружелюбия Мальпиги было невыносимо. В конце 1656 года он покидает Болонью, чтобы по приглашению герцога Тосканского Фердинанда II возглавить в Пизанском университете новую кафедру теоретической медицины. Там Марчелло заводит тесную дружбу с таким же жадным до знаний профессором математики Альфонсо Борелли, который готов ему предоставить в собственном доме место для проведения публичных анатомических вскрытий животных. Этими демонстрациями живо интересуются сам герцог Тосканский и принц Леопольд (последний нередко присутствует на вскрытиях и, вдохновившись исследованиями анатомов, вскоре основывает Экспериментальную академию, оставившую заметный след в медицинской науке).

Пройдет полвека, прежде чем Шекспир напишет свои известные строки про междоусобные бои двух равно уважаемых семей – кланов Монтекки и Капулетти. Похожая история произошла и в Кревалькоре – между семьями Мальпиги и Сбаралья. Причиной раздора стал спор по земельным вопросам, переросший позже в открытую бойню. Сам Мальпиги, находясь в Пизе, на тот момент только приступил к фундаментальным исследованиям и написанию первых своих трудов о кровеносной, выделительной и пищеварительной системах. И ему приходилось срываться с места и ездить в Кревалькоре, дабы заниматься тяжбами с недобрыми соседями. Конфликт достиг своего апогея, когда в один из вечеров 1659 года брат Марчелло, Бартоломео, решил подстеречь на улице доктора Томмазо Сбаралью и поговорить с ним по-мужски. Перебранка закончилась тем, что оскорбленный Бартоломео нанес врагу смертельное ранение стилетом и был приговорен судом к казни. Марчелло сбился с ног, добиваясь аудиенции у власть имущих и знатных горожан, и в конце концов выпросил помилование для несчастного брата, виселицу которому заменили на полтора года тюрьмы. Чтобы быть ближе к семье в эти черные дни и защитить близких от мести озверевших от горя Сбаральи, Мальпиги упросил Фердинанда разрешить ему вернуться в Болонью.

В альма-матер он с головой уходит в научную работу. Ему не терпится пристальнее рассмотреть различные органы и ткани. В исследованиях ученого отныне постоянно присутствует хоть и слабенький (всего 180-кратный), но микроскоп, и Мальпиги надеется на свой острый глаз и развитые еще в детстве фантазию и логику. Однажды, рассматривая в микроскоп легкое препарированной лягушки, ученый замечает, что оно состоит из мелких пузырьков, покрытых пленкой, и в этой пленке проглядывается сеть мельчайших кровеносных сосудов, соединяющая мелкие артерии и вены. Разгадка вопроса, который так и не был разрешен Гарвеем, открывшим круги кровообращения, но не знавшим, где артериальная кровь становится венозной, обнаружилась по ту сторону микроскопа у Мальпиги. В 1661 году ученый публикует статью о своем открытии в престижном журнале Лондонского королевского общества и, как бы ни злобствовал его давний противник профессор Монтальбани, находит поддержку у большей части коллег и соратников, в том числе у своего любимого учителя профессора Мариани. К сожалению, времени разделить с наставником радость научной победы Мальпиги досталось слишком мало: в 1662 году Мариани скоропостижно умирает, и Марчелло, удрученный и опустошенный потерей, принимает предложение возглавить кафедру медицины в университете Мессины. Там он четыре года занимается изучением растений, их анатомией и физиологией, все более виртуозно применяя микроскоп.

В 1666 году ученый вновь возвращается на кафедру Болонского университета. Его имя к тому времени известно далеко за границами родины, и спустя год Мальпиги соглашается на предложение вести регулярную переписку с Лондонским королевским обществом, полноправным членом которого становится в 1669-м. Английские ученые дали высокую оценку подробной монографии об анатомии шелковичного червя, написанной по предложению Королевского общества, и торжественно разместили портрет Мальпиги на почетном месте в одном из залов в Лондоне.

В своих изысканиях для лучшей визуализации ученый применяет особые методы обработки исследуемого материала: кипячение, мацерацию, обработку специальными веществами. Он становится первым медиком, поставившим себе целью изучение строения живого организма с помощью микроскопа и выработавшим систематику и методологию микроскопического исследования. Мальпиги поражен объемом открытий, которые он с помощью микроскопа может совершать чуть ли не ежедневно. Благодаря этому прибору он обнаруживает почечные канальцы и формулирует первые представления о мочеобразовании. Открытые им структуры впоследствии называют мальпигиевыми тельцами в почках и селезенке, ростковым мальпигиевым слоем в коже, мальпигиевыми сосудами у насекомых. Ученый доказывает, что на языке есть три вида вкусовых сосочков и что слизистая оболочка кишечника имеет трубчатые углубления – крипты. В 1672 году с помощью микроскопа Мальпиги дополняет наблюдения Гарвея о развитии зародыша в яйце курицы. С 1675 по 1679 год ученый работает над двухтомником «Анатомия растений», в котором описывает растительные волокна и излагает свою теорию о восходящих и нисходящих токах сока. В предисловии к этому труду ставшему на многие десятилетия одним из главных учебников ботаники, автор пишет о том, что «только познавая простое, можно изучить и более сложное». Почти за два века до открытия механизма дыхания у живых организмов Мальпиги выявил тот факт, что для прорастания семян необходим воздух. Последователи великого ученого в ботанике увековечили его имя в названиях семейства двудольных свободно-лепестковых растений (Malpighiaceae) и вечнозеленого тропического кустарника мальпигии. Микроскопия с подачи Мальпиги становится привычным методом исследования в анатомии, биологии и медицине.