Anche ad Isola del Liri continuò a studiare e a compiere ricerche, spostando tuttavia, con decisione, il suo interesse verso l'antropologia. Così, dopo un viaggio in Europa (1852), attraverso il quale poté attivare con i principali studiosi dell'epoca, fra i quali l'archeologo tedesco Heinrich Schliemann, scopritore di Troia, uno scambio di informazioni, di conoscenze e di materiali, iniziò una sua collezione craniologica. Ed è proprio in questa direzione che esordì, nel 1857, pubblicando il saggio etnologico dal titolo "Delle Razze Umane". Qui, infatti, assorbita l'influenza evoluzionistica professata da Lamarck e la necessità di una metodologia multidisciplinare, che unisse la fisiologia all'anatomia, l'etnologia alla filologia, «propose una classificazione del genere umano basata su criteri craniologici e linguistici». Antonio Garbiglietti, che aveva in corso analoghe ricerche, dopo aver recensito favorevolmente il trattato di Nicolucci, si mosse nella stessa direzione, fondando nel 1861 il Museo di Craniologia di Torino.