Nel 1858 tornò in Italia e, come medico igienista, resse per un certo periodo la cattedra di Patologia generale all'Università di Pavia. In questa città egli fondò il primo laboratorio di patologia sperimentale in Europa (dove, negli anni seguenti, si formarono scienziati illustri quali Giulio Bizzozero, Eusebio Oehl e Camillo Golgi, vincitore del Premio Nobel per la medicina nel 1906 grazie alla scoperta della reazione nera). Diventato Deputato del Regno d'Italia poco più che trentenne, cominciò una fase fiorentina, e in questa città anche la sua attività scientifica vide un cambiamento: dalla patologia all'antropologia. Nel 1869 fondò nel Palazzo Nonfinito di Firenze, sede dell'Istituto di Studi superiori, la prima cattedra di antropologia e il Museo nazionale di antropologia ed etnologia. Nel 1871, insieme a Felice Finzi fondò la rivista Archivio per l'antropologia e l'etnologia, rivista tuttora in corso. Fondatore della Società italiana di antropologia ed etnologia, fu difensore del darwinismo e tra il 1868 al 1875 corrispondente di Charles Darwin.