В 1684 году Мальпиги приобрел в собственность виллу в Кортичелли близ Болоньи. В этом же году его вновь постигло несчастье: в его доме, в Болонье, случился пожар, уничтоживший значительную часть его имущества, микроскопы и большое количество рукописей, содержавших ценные научные материалы. В 1689 году на него обрушилось еде одно несчастье. Пропорционально славе Мальпиги росла и неприязнь к нему Монтальбани. Недоброжелатели Мальпиги, не будучи в состоянии навредить его научной репутации, задумали причинить ему материальный урон. Один из членов семьи Сбаралья и некто Мини, неоднократно нападавший на Мальпиги в полемических статьях, организовали шайку молодых людей, которая напала на виллу в Кортичелли. В результате атаки обстановка внутри дома была разгромлена, научные приборы и материалы сожжены.
Это происшествие окончательно истощило терпение 61-летнего Мальпиги. Он отказался от чтения лекций и уединился в своем доме. В 1691 году Мальпиги принял приглашение римского папы и отправился в Рим, где был назначен личным врачом Иннокентия XII. В Риме он сильно хворал, давала о себе знать подагра. 25 июля 1694 года у него случился апоплексический удар, после которого он оправился и стал работать, готовя свои научные труды к изданию. Вскоре скончалась его жена. Смерть любимого человека причинила ему глубокое страдание, он был безутешен. 29 ноября 1694 года последовал второй апоплексический удар, который через сутки унес жизнь Мальпиги. При его вскрытии обнаружили сильное увеличенное сердце и следы кровоизлияния в мозговые желудочки. Тело согласно завещанию было предано земле в Болонье. В честь Мальпиги в Болонье была выбита медаль, в университете поставлена его статуя и рядом, словно в насмешку, статуя его врага доктора Сбаралья.
Деятельность Мальпиги была разносторонней: он был пионером в области гистологии, эмбриологии, анатомии, ботаники, даже минералогии (написал статью о происхождении металлов). Строго говоря, его скорее можно назвать предтечей, чем основателем этих научных дисциплин. Кроме того, он был также ученым-медиком и практическим врачом, причем врачом-клиницистом, который интересовался болезнями не только с точки зрения врачевания, но и как предметом изучения: он не упускал случая присутствовать при вскрытиях лиц, умерших от тех или иных болезней, и знакомиться с болезнями, выявленными в их органах.
Научные достижения доктора Мальпиги огромны. Он был первым ученым, который занимался систематическими и целенаправленными микроскопическими исследованиями. Это позволило ему сделать ряд важных открытий. Так, в 1660 году он описал альвеолярное строение легких (у лягушки) и кровяные тельца (у ежа).
Занимаясь ботаникой, Мальпиги описал воздухоносные трубки (1662 г.) и сосуды (1671 г.) у растений, опубликовал капитальный труд «Анатомия растений» (двухтомник, 1675–1679). Именем Мальпиги названо семейство двудольных свободнолепестковых растений (Malpigiaceae).
Важнейшей заслугой Мальпиги, конечно, является открытие капиллярного кровообращения (объектом исследования был мочевой пузырь лягушки), дополнившее теорию кровообращения Гарвея. Мальпиги пользовался микроскопом, поэтому обнаружил то, чего не мог видеть Гарвей. Спустя четыре года после смерти Гарвея, то есть в 1661 году, Мальпиги опубликовал результаты наблюдений над строением легкого, и впервые дал описание капиллярных кровеносных сосудов, соединяющих артерии с венами. Таким образом, была раскрыта последняя тайна системы кровообращения.
Марчелло Мальпиги подробно описал строение легкого, указав, что оно состоит из бесчисленного количества мелких пузырьков, опутанных сетью капиллярных кровеносных сосудов. Однако ученый не смог установить, в чем заключается роль легких в организме животного и человека. Тем не менее он категорически опроверг теорию Галена об охлаждении крови; однако высказанное им мнение, что кровь в легких перемешивается, тоже было не верно.
Открытие капиллярных кровеносных сосудов и описание строения легких не единственная заслуга Мальпиги. Он дал подробное описание строения почек, в которых обнаружил клубочки, названные впоследствии мальпигиевыми тельцами. Мальпигиевы тельца 1) в почках человека и позвоночных животных (за исключением некоторых рыб), клубочки артериальных капилляров, в которых фильтруется жидкость из крови в мочевые канальцы; 2) в ретикулярной ткани селезёнки лимфоидные узелки, в которых образуются лимфоциты.
Кроме того, Мальпиги описал строение кожи, ростковый слой эпидермиса кожи и микроскопическое строение ряда тканей и органов растений, животных и человека: лимфатические тельца селезенки, пирамидки и клубочки в почке, выделительные органы насекомых. Все эти образования названы его именем: Мальпигиевы сосуды, выделительные органы у многих паукообразных, многоножек и насекомых. Длинные трубчатые выросты кишечника на границе средней и задней кишки выводят мочевую кислоту (у многоножек и насекомых) и преимущественно гуанин (у паукообразных). У водных насекомых участвуют в осморегуляции.