В 1863 году он поступил вольнослушателем в Петербургский университет. В 1864 году за участие в студенческих сходках он был исключен без права поступления в высшие учебные заведения России. Миклухо-Маклай уехал в Германию. Два года он слушал лекции на философском факультете Гейдельбергского университета в Германии, затем изучал медицину в Лейпциге и Йене. Миклухо-Маклай обратил на себя внимание естествоиспытателя Геккеля, пропагандиста идей Дарвина.
В 1866 году Геккель взял 19-летнего студента в качестве ассистента в большое научное путешествие. Мадейра, Тенерифе, Гран Канария, остров Ланцерот, Марокко, Гибралтар, Испания, Париж - таков был маршрут первого путешествия Миклухо-Маклая.
В 1869 году, после посещения побережья Красного моря, Миклухо-Маклай вернулся в Россию. Первые научные исследования Миклухо-Маклая посвящены сравнительной анатомии морских губок и мозга акул и другим вопросам зоологии. Во время последующих путешествий (о-ва Малайского архипелага, полуостров Малакка, острова Океании, Австралия) Миклухо-Маклай провёл также ценные географические наблюдения (описания рельефа, измерение глубин моря, метеорологические наблюдения), многие из которых не утратили значения доныне.
Два с половиной года (в 1871, 1876 и 1883 годах) он прожил на северо-восточном берегу Новой Гвинеи (ныне берег Миклухо-Маклая), где завоевал любовь и доверие новогвинейцев. В 1873 г. исследовал негритосов на Маниле. Оправившись от лихорадки, снова направился на юго-западное побережье Новой Гвинеи, где собрал ценные этнографические сведения, коллекции, открыл новые виды двуутробок и др. В 1875 г. Миклухо-Маклай предпринял путешествие на Малаккский п-ов, чтобы сравнить жителей его с папуасами и жителями Филиппинских островов. Исследовал острова Западной Микронезии, затем в 1877 г. высадился на берегу Маклая. Здесь в течение года он совершил ряд походов, исследовал людоедов близ мыса Дюпере, занимался этнологическими исследованиями ближайших племен, изучением мозга позвоночных, анатомией сумчатых и метеорологией. Папуасы боготворили Миклухо-Маклая, он же, близко познакомившись с жестокой эксплуатацией островитян приезжими коммерсантами, выступил на их защиту. Этому были посвящены все годы его дальнейшей жизни в Сиднее, где он основал биологическую станцию, и в Петербурге. Используя фактический материал, он опроверг расистские представления о коренном различии физического строения и психики представителей отдельных рас человека.
Миклухо-Маклай был автором проекта создания на Новой Гвинее независимого государства - Папуасского Союза. Позже (1886) он безуспешно добивался от царского правительства разрешения организовать на Новой Гвинее "вольную русскую колонию".
Последние дни жизни Миклухо-Маклай провел в клинике Виллие при Военно-медицинской академии. Миклухо-Маклай умер 2 апреля 1888 года. Труды Миклухо-Маклая (76 работ) издавались в 1871-88 гг. в "Известиях Императорского Русского Географического Общества", в Берлинском антропологическом журнале, в батавских и австралийских журналах. Коллекции Миклухи-Маклая помещены в музее Императорской Академии Наук. Материалы эти до сего времени представляют огромный интерес для антропологии и этнографии.