Abbandonò quindi la pratica ospedaliera per dedicarsi allo studio e all'insegnamento. Iniziò a studiare il diabete e sempre nel 1843 al Congresso degli scienziati italiani a Lucca ricevette la medaglia al merito per il nuovo metodo di ricerca del glucosio nelle orine. Dal 1848 al 1851 ebbe un periodo di riposo a causa di una miopia progressiva che però, con la sospensione temporanea dell'attività di laboratorio, accennò a migliorare tanto che l'8 dicembre del 1851 divenne titolare della cattedra di chimica organica e patologica a Firenze. Da questo momento iniziò per lui un periodo di intensa attività scientifica tanto che la sua fama varcò i confini della Toscana: divenne membro e socio delle Accademie medico scientifiche più rinomate della Toscana, completò gli studi sul diabete e cominciò quelli sul sangue e dette inizio a quella che sarà la sua opera maggiore il "Trattato di chimica organica e patologica". Fu nominato aggiunto igienista al Consiglio superiore di sanità e in questo ambito subito contribuì proponendo per primo l'acido fenico come disinfettante. Nella sua attività didattica fu affiancato all'inizio dal farmacista Possenti, poi da Pratesi e infine da Giorgio Roster, il quale fu inviato nel 1870 all'estero dallo stesso Capezzuoli a visitare gabinetti scientifici e impianti industriali di chimica per implementare le conoscenze sulla materia e arricchire il laboratorio di nuovi strumenti e apparecchi. Dal 1870 al 1877 la sua produzione scientifica, che constava già allora di circa duecento pubblicazioni, fra letture e comunicazioni, diminuì sensibilmente a causa della miopia che lo portò alla cecità completa e proprio per questa infermità ricevette l'invito dell'Istituto di studi di perfezionamento a chiedere il pensionamento. Ritiratosi a vita privata, continuò nei limiti del possibile i suoi studi, dedicandosi maggiormente alla famiglia; nel 1879 nacque suo figlio Cesare, che seguì l'orme del padre. Morì per un ictus apoplettico all'età di 75 anni.