Sottoponendo a severa critica le conoscenze su Mercurio e Venere, stabilì la durata di rotazione dei due pianeti; ma soprattutto egli è noto per i suoi studi su Marte, che sviluppò approfittando della favorevole congiuntura dell'opposizione di Marte, iniziata nel 1877, che assunse il nome di epoca "schiaparelliana": fu il primo ad essere in grado di eseguire un accurato disegno della superficie del pianeta, descrivendone le macchie e i canali, ponendo così le basi della moderna areografia scientifica.
Nel 1878 presentava la sua prima carta del pianeta, con annessa memoria, ai Lincei; nel 1882 scoprì il fenomeno della geminazione dei canali.
Importanti furono anche i suoi lavori sulle misure delle stelle doppie, iniziati nel 1875, e curò, insieme con Otto Struve, la pubblicazione delle misure micrometriche di stelle doppie e multiple. Fu inoltre illustre meteorologo e geodeta: fece parte della Commissione geodetica italiana nel 1865 e dell'Associazione geodetica internazionale.
Partecipò attivamente alle commissioni internazionali per la misura del "grado" europeo fin dal 1864, collaborando con Celoria nelle determinazione di differenze di longitudine. Si dedicò inoltre a ricerche sul pensiero greco a proposito del sistema del mondo: tra i suoi studi si ricordano "I Precursori di Copernico nell'antichità" (1873), "Le sfere omocentriche di Eudosso, di Callippo e di Aristotele" (1874); "Sull'origine del sistema planetario eliocentrico presso i Greci"; "L'astronomia dell'Antico Testamento", "I primordi e I progressi dell'Astronomia presso i Babilonesi". Si dedicò inoltre agli studi matematici: in questo campo scrisse "Sul modo di ricercare la vera espressione delle leggi della natura dalle curve empiriche".
Importanti anche i suoi studi nel campo della teoria delle orbite e delle perturbazioni.
Fu membro di una quarantina di accademie italiane ed estere, tra le quali l'Accademia dei Lincei, la Società italiana dei XL; fu inoltre insignito di onorificenze dalle più prestigiose accademie straniere (Académie des sciences dell'Institut de France, Royal Astronomical Society di Londra, Imperiale accademia tedesca leopoldina carolina dei naturalisti, ecc.).
Nel 1889 fu nominato senatore del Regno.
Nel giugno del 1900 si ritirò dalla direzione di Brera, lasciandola al suo amico e collaboratore Giovanni Celoria.
Continuò tuttavia la sua attività scientifica dedicandosi in particolare agli studi di storia dell'astronomia, agevolato in questo dalla sua profonda conoscenza delle lingue antiche come l'ebraico e l'assiro-babilonese: importanti sono i suoi studi sulle conoscenze astronomiche degli Ebrei, degli Assiri e dei Babilonesi.
Fu autore di oltre 250 pubblicazioni ed ebbe una intensa corrispondenza epistolare con i principali scienziati dell'epoca.
Morì a Milano il 4 luglio 1910, commemorato solennemente presso i Lincei da tutto il mondo scientifico, in particolare da Giovanni Celoria.