Nel 1867, poco dopo la morte della moglie Settimia Vannucci, Fattori approda alla cosiddetta scuola di Castiglioncello, il gruppo di artisti (Abbati, Borrani, Bechi, Cecconi, Sernesi) che si riuniva ogni anno, specialmente d'estate, nella tenuta di Diego Martelli, guida e critico severo dei "macchiaioli", e acquista ben presto col suo magistero d'arte un posto di primo piano. Fra le sue opere migliori, di paesaggio della Maremma e di Castiglioncello e nelle quali la tecnica della "macchia" risalta con maggior forza, ricordiamo: "La rotonda di Palmieri", "Cavalli in Tombolo", "La Torre del Marzocco", "Riposo in Maremma", "Libecciata".
In seguito alla disillusione per i primi fatti di Aspromonte e di Mentana, Fattori fu investito da uno scetticismo intellettuale sempre più pronunciato e da un atteggiamento massonico e anticlericale dovuto anche all'incontro con Angelo De Gubernatis, il primo divulgatore in Firenze del pensiero di Michail Bakunin.
Nel 1875 si recò a Parigi con F. Gioli, E. Ferroni e N. Cannicci, ospite di F. Zandomeneghi, non rimanendo attratto più di tanto dalle novità del momento e anzi manifestando ampie critiche alla pittura di Pissarro e di Monet. Grazie ai quadri che inviava a esposizioni nazionali e internazionali ottenne più volte premi e diplomi che gli accreditarono la fama di "forte verista": nel 1870 a Parma, nel 1873 a Vienna e a Londra, nel 1875 a Santiago del Cile, nel 1876 a Filadelfia, nel 1880 a Melbourne, nel 1887 a Dresda, nel 1889 a Colonia.
Dall'estate del 1880 alla primavera del 1883 Fattori visse una intensa relazione con la diciannovenne Amalia Nollemberger, che portò nella sua pittura una vena idillica e diede inizio a una fase della sua carriera rivolta maggiormente alla propria vita intima.
Gratificato sin dal 1869 della nomina di professore corrispondente dell'Accademia di belle arti, insegnante presso l'Istituto dal 1876, professore onorario di pittura e assistente di G. Ciaranfi nel 1880 nonché titolare dell'insegnamento dal 1893, percepì solamente compensi alquanto irrisori che fu costretto ad arrotondare con lezioni private presso le famiglie più in vista della nobiltà fiorentina. Negli ultimi anni della sua vita, ormai popolare e galvanizzato dall'attenzione che si prestava ai suoi lavori, non solo fu quasi sempre presente alle varie mostre che si susseguirono in Italia ma continuò a inviare i suoi dipinti anche alle esposizioni internazionali, ottenendo riconoscimenti e premi; nominato membro della Commissione per l'indirizzo artistico della Calcografia nazionale, fu spesso a Roma dal 1901 al 1905; trascorse i mesi estivi a Livorno con la seconda moglie Marianna Bigazzi, sposata nel 1891 dopo una convivenza di otto anni. Dopo la morte di lei, avvenuta nel 1903, si sposò nel 1907 con Fanny Marinelli che gli premorì l'anno successivo. Morì a Firenze il 30 agosto 1908, assistito dall'allievo Giovanni Malesci, che l'artista nominò erede universale.