В Болонском университете Марчелло поначалу занимался изучением философии. Его наставником был Франческо Натали – одаренный преподаватель, влюбленный в учение Аристотеля. Марчелло открывает для себя мировоззрение античного мыслителя на природу и человека и при этом чувствует, как растет в нем тяга к естественным наукам. Но, увы, через несколько лет дальнейшее обучение Марчелло оказывается под серьезной угрозой. Он и его семья переживают страшную трагедию: скоропостижно умирает отец, за несколько недель от безутешного горя сгорают мать и затем бабушка. В 21 год Марчелло остается в семье Мальпиги за старшего. Отныне он в ответе за подрастающих братьев и сестер. Марчелло возвращается в осиротевший дом и приступает к решению финансовых и хозяйственных вопросов, что не успели довершить родители. На его счастье, вскоре большую часть забот берет на себя родной дядя – брат отца, и, таким образом, у Марчелло вновь появляется возможность продолжить учебу в университете.
В 1653 году Марчелло защищает докторскую диссертацию и спустя неполных три года уже читает в Болонском университете лекции по медицине и фармакологии.
Повлиял ли на выбор дальнейшего пути ученого несправедливо скорый уход из жизни близких и любимых ему людей? Вполне вероятно. Вернувшись на студенческую скамью, Марчелло решает посвятить себя изучению медицины под руководством клинициста Андреаса Мариани и анатома Бартоломео Массари. Эти замечательные болонские профессора создали научный студенческий кружок и назвали его анатомическим хором. Что интересно, право голоса в кружке имели и ученики, в обязанность которых входило самостоятельно проводить исследования и по их результатам готовить научные доклады, так что слово «хор» в названии использовано не случайно. Овладев необходимым объемом знаний, в 1653 году Марчелло защищает докторскую диссертацию