В 20 лет в качестве помощника профессора Г. Фоля он поехал на Канарские острова изучать рыб и губки (низшие представители многоклеточных животных), и он открыл новый неизвестный науке вид губок. Затем они поехали в Африку, продолжили работу в Марокко, где вели научные наблюдения и лечили местное население (оба были врачами). Вернувшись в Европу, Миклухо-Маклай побывал во Франции, Дании, Норвегии, Швеции, где осмотрел зоологические коллекции. Он хотел поехать в экспедицию на север, но знаменитый полярный исследователь Нильс Норденшельд отказался взять его. Миклухо-Маклай вернулся в Йену и продолжил изучать анатомию и физиологию человека. Он закончил университет в 22 года. Затем он вместе с немецким зоологом А. Дорном недолгое время работал в Мессине на зоологической станции. Но Николай хотел изучать флору на Красном море. На присланные матерью небольшие деньги он уехал в Египет, где местное население приняло его вначале враждебно, но узнав, что он врач и мирный человек, арабы подружились с ним. Миклухо-Маклай работал в своих научных интересах в Египте, а затем в Саудовской Аравии (где жизнь была очень дешевой), Эфиопии, Судане. Он увлекся изучением местного населения, его быта, привычек, традиций, нравов. Он заболел лихорадкой и цингой, но исследования не прекратил, как и сбор коллекций. В 23 года он вернулся в Россию, где о его научных трудах уже знали, прежде всего в Петербурге и Москве. Затем он уехал в Йену, чтобы готовиться к новой намеченной им экспедиции. Но деньги снова быстро кончились, ему не на что было даже вернуться в Россию, он опять просил мать помочь ему деньгами. Его заболевшая туберкулезом мать послала ему небольшую сумму, с трудом собранную ею на лечение и отъезд из Петербурга; дела и благополучие сына были ей важнее ее собственного здоровья и жизни. Совет Русского Географического общества выделил ему не слишком большие деньги для научных исследований; затем его приняли на корвет «Витязь» для совершения путешествия к берегам Тихого океана, но питаться он должен был за свой счет. В кругосветном плавании Миклухо-Маклай во второй раз заболел лихорадкой, но не отказался от своих планов попасть в Новую Гвинею. В 1871 г. (ему 25 лет) он туда прибыл, высадился с корабля, взял с собой только шлюпку-четверку и двоих помощников. Работать на Новой Гвинее было нелегко, но со временем туземцы поняли, что он их друг и врач, и приняли его. Заболев в очередной раз, он оказался на грани смерти, был вынужден уехать в Австралию, в Сидней, где окончательно оправился от болезни. Узнав, что англичане пытаются поработить народы Океании, Меланезии, Новой Гвинеи, Миклухо-Маклай направил протесты комиссару Западной Океании.