Nel 1852 a seguito di un viaggio compiuto in Europa che lo mise in contatto con studiosi stranieri, avviò attivi scambi di informazioni, conoscenze e materiali nell'ambito della "nuova scienza" antropologica. In tal modo costituiva il primo nucleo di un'importante collezione craniologica, e nel 1858 pubblicava la famosa opera "Delle Razze Umane", con la quale si affermava fra i pionieri dell'antropologia italiana ed europea. Nel 1880 Nicolucci ottenne la cattedra di Antropologia istituita per lui a Napoli, presso la Facoltà di Medicina e Chirurgia. Nei due decenni successivi egli diede alle stampe una produzione considerevole, in cui spiccano alcuni saggi sul darwinismo e, nel 1866, l'esauriente memoria, "Antropologia dell'Italia nell'Evo antico e moderno", dove venivano presi in esame tutti i popoli la cui presenza fosse stata accertata in Italia, tracciandone un profilo fisico e culturale. Notevole fu l'impegno profuso nell'arricchimento e nell'organizzazione del Museo fondato a Napoli annesso all'Istituto di Antropologia. Morì improvvisamente nella città natale nel 1904.