Nonostante la notorietà e gli studi condotti, che peraltro gli permisero di tenere il discorso inaugurale (in lingua francese) al primo congresso di Archeologia e Antropologia preistorica svoltosi nel 1871 a Bologna, nel 1869 gli fu preferito Paolo Mantegazza per la prima cattedra di antropologia istituita in Italia, a Firenze. Nicolucci dovette attendere fino al 1880 prima di ottenere l'insegnanento della disciplina, nella pari cattedra istituita presso la Facoltà di medicina e chirurgia di Napoli. Negli anni seguenti, con la fondazione del Gabinetto di antropologia (1881), la cattedra venne trasferita alla Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e matematiche, dove lo studioso di Isola del Liri sarebbe rimasto. Nella nuova sede, Nicolucci tributò autorevoli ricerche ad esponenti del panorama scientifico italiano che vi avevano in precedenza insegnato, fra i quali Giuseppe Saverio Poli e Stefano Delle Chiaie.