Nel 1871 iniziò l'attività di ricerca presso il laboratorio di fisiologia di Firenze diretto da Moritz Schiff: qui compie le sue prime ricerche sperimentali, tra cui si ricordano in particolare quelle sui movimenti dell'esofago. Nel 1873, vinto il premio di perfezionamento all'estero, si recò a Lipsia dove fu allievo del fisiologo Carl Ludwig, apprendendo pertanto la tecnica del metodo grafico per lo studio dinamico dei fenomeni fisiologici. Nella città tedesca Mosso si guadagnò tanta stima che gli fu offerto il posto di assistente da due Istituti di Fisiologia, ma eglì rifiutò in entrambi i casi. Prima di ritornare in Italia si trattenne per alcuni mesi a Parigi e proseguì gli studi con Ernst Wilhelm von Brücke, Emil Du Bois-Reymond, Claude Bernard e soprattutto Étienne-Jules Marey del quale divenne amico fraterno.