Poco prima della caduta della repubblica, quando già si negoziava il ritorno del Granduca, Zannetti il 19 aprile 1849 si dimise dalla carica di generale della Guardia Nazionale, il 27 luglio rifiutò la decorazione dell'Ordine di San Giuseppe, benemerenza granducale offerta anche agli ufficiali austriaci contro cui aveva combattuto in passato, così che il 30 luglio fu destituito con decreto governativo da tutti i suoi incarichi. Con la restaurazione dei Lorena venne epurato per tradimento e gli fu tolta la cattedra universitaria per i suoi ideali repubblicani. Partecipò a riunioni clandestine di patrioti organizzate dal marchese Ferdinando Bartolommei nel suo palazzo in via Lambertesca a Firenze e fu interrogato come testimone dalla Prefettura del Compartimento di Firenze. Insieme ad altri patrioti, si impegnò nel sostegno dell'indirizzo repubblicano di Giuseppe Mazzini, riunendosi in una Lega che rientrava in un movimento rivoluzionario più ampio. Il 23 aprile 1859 partecipò all'incontro del Comitato rivoluzionario presso l'abitazione del barone Bettino Ricasoli con Giuseppe Dolfi, da cui poi scaturì la rivoluzione che portò alla caduta della dinastia lorenese asburgica in Toscana. Nel nuovo governo toscano, il barone Bettino Ricasoli sostituì Ubaldino Peruzzi e Ferdinando Bartolommei fu eletto sindaco di Firenze; Zannetti fu nominato deputato, vicepresidente dell'assemblea toscana e consigliere comunale di Firenze. 