Nel 1897 osservò la demielinizzazione del corpo calloso nel cervello di un paziente alcolista, e nel 1903, con Amico Bignami, pubblicò una descrizione completa della demenza degli alcolisti, oggi nota come morbo di Marchiafava o di Marchiafava-Bignami. Fu il primo a evidenziare l'importanza della sclerosi delle arterie coronarie nella patogenesi dell'infarto del miocardio. Nel 1926, inoltre, descrisse una forma di ittero emolitico cronico acquisito chiamandola anemia emolitica con emosiderinuria perpetua.