Миклухо-Маклай виїхав у Німеччину. Два роки він слухав лекції на філософському факультеті Гейдельберзького університету, потім вивчав медицину в Лейпцигу та Йєні. Миклуха-Маклай привернув до себе увагу натураліста Геккеля, пропагандиста ідей Дарвіна. У 1866 році Геккель узяв 19-річного студента у якості асистента у велику наукову подорож. Мадейра, Тенерифі, Гран Канарія, острів Ланцерот, Марокко, Гібралтар, Іспанія, Париж - таким був маршрут першої подорожі Миклухо-Маклая.
Потім він вивчає ракоподібних, морських губок і та інші організми на березі Месинської протоки і відправляється на берег Червоного моря. У березні 1869 року Миклухо-Маклай з'явився на вулицях міста Суеца. Виголивши голову, пофарбувавши обличчя й переодягнувшись у вбрання араба, Маклай добрався до коралових рифів Червоного моря. Він пройшов пішки землі Марокко, побував на островах Атлантики, мандрував Константинополем, перетнув Іспанію, жив в Італії, вивчив Німеччину.
У руки Миклухо-Маклая потрапила робота Отто Фінша "Нова Гвінея", видана у Бремені. У Миклуха-Маклая виникає ідея дослідження Тихого океану. У статті "Чому я вибрав Нову Гвінею?" Миклуха-Маклай писав, "що саме на цьому маловивченому острові первісні люди менш за все підпадали під вплив цивілізації і це відкриває виняткові можливості для антропологічних і етнографічних досліджень".
20 вересня 1871 року Миклуха-Маклай висадився на березі затоки Астролябія, біля селища Бонга, на північно-східному березі Нової Гвінеї. Племена і селища були тут роз'єднані і постійно ворогували одне з одним; кожен чужоземець, будь він білий або чорний, вважався небажаним гостем.
Миклухо-Маклай першим спустився в шлюпку. На березі струмка, біля моря, матроси і корабельні теслі зрубали перший російський будинок на Новій Гвінеї - будинок Маклая. Учені-офіцери з "Витязя" провели топографічну зйомку місцевості. Бухта з кораловими берегами - частина великої затоки Астролябія - була названа портом Костянтин, миси - іменами топографів, які робили зйомку, а найближчий острів одержав ім'я Витязь. Корвет "Витязь" продовжив плавання, а Миклуха-Маклай залишився на березі Нової Гвінеї.
Йому вдалося вразити папуасів... Миклухо-Маклай сів на землю, спокійно розв'язав шнурки черевиків і... ліг спати. Він змусив себе заснути. Коли, прокинувшись, Миклухо-Маклай підняв голову, він побачив, що папуаси мирно сиділи довкола нього. Луки і списи були заховані. Папуаси з подивом спостерігали, як білий неквапливо затягує шнурки своїх черевиків. Папуаси вирішили, що раз біла людина не боїться загибелі, то вона безсмертна. Миклуха-Маклай лікував папуасів, давав їм корисні поради. Незабаром жителі селищ полюбили Миклуха-Маклая, називаючи його "Тамо-рус" - "російська людина". Пізніше по всьому узбережжю поширилася чутка, що Миклуха-Маклай не тільки "Тамо-рус", але і "Караан-тамо" - "людина з місяця" або "місячна людина".
Отримавши доступ до місцевих сіл, Миклухо-Маклай почав свої дослідження. Черепи своїх родичів папуаси викидали поблизу хатин, але нижня щелепа зберігалася підвішеною до стелі домівок. Ученому довго не вдавалося знайти цілий череп. Миклуха-Маклай збирав колекцію зразків волосся папуасів і, щоб не скривдити їх, відрізав пасма свого густого хвилястого волосся і вимінював їх на пучки чорного волосся папуасів. Завдяки цій хитрощі місцеві жителі дозволяли Миклухо-Маклаю робити антропометричні виміри. Миклухо-Маклай установив, що волосся папуасів нічим не відрізняються від волосся європейців.
Понад рік прожив він у хатині на березі океану. Тут він написав "Антропологічні замітки про папуасів Берега Маклая у Новій Гвінеї". Наніс на карту архіпелаг Задоволених Людей і велику протоку, відкрив новий вид цукрового банана, коштовні плодові й олійні рослини.
У грудні 1872 року в затоку Астролябія зайшов російський корабель "Смарагд" під командою Кумані. Папуаси урочисто проводили "Тамо-руса". Скориставшись заходом "Смарагда" у Манілу, Миклуха-Маклай у Лімайських горах знаходить чорношкірих негритосів, таємниця походження яких ще не була розгадана. Зріст їх не перевищував 1 метр 44 сантиметри ("негритоси" іспанською мовою - "маленькі негри").
Тут, на Філіппінах, Миклухо-Маклай зробив нове велике відкриття: негритоси зовсім не негри! Їхні звичаї, мова й інші ознаки безперечно вказували на спорідненість з папуасами. У 1874 році Миклуха-Маклай відправився в подорож по Малакському півострову. Таємничі племена, що жили в глибині півострова, тубільці називали "оран-утан" ("люди лісу"). Миклуха-Маклай відправився шукати диких оранів. Перших "оран-утанів" Миклуха-Маклай зустрів у лісах, на верхів'ях річки Палон. Полохливі, низькорослі, чорношкірі люди проводили ночі на деревах. Усе їхнє майно складалося з ганчір'я на стегнах і ножа.
Вони скиталися дикими лісами, давали своїм дітям імена на честь дерев, добували камфору, що вимінювали в малайців на ножі і тканини. І вони нічим не походили на малайців, ростом нагадували негритосів Філіппін, а виглядом - папуасів Нової Гвінеї. Миклуха-Маклай зробив здобутком науки місця проживання меланезійців Малаки, їхній вигляд, спосіб життя, вірування і мову.
У 1875 році Микола Миколайович у Бейтензорзі закінчив замітки про мандрівки серед "людей лісу". На той час російські картографи вже нанесли на карту Нової Гвінеї гору Миклуха-Маклая, біля затоки Астролябії. Це був як би прижиттєвий пам'ятник - рідка честь для вчених.
У 1876-1877 роках він здійснив подорож у західну Мікронезію й північну Меланезію, відвідавши острова Палау, Вуап (Яп) та архіпелаг Адміралтейства. В останніх числах червня 1876 року мандрівник досяг Берега Маклая. Матроси вивантажили припаси, бочки, подарунки для папуасів. Усі старі знайомі були живі. Папуаси дуже радо прийняли "Тамо-русо".
У листопаді 1877 року в затоку Астролябія зайшла англійська шхуна "Флауер оф Ярроу". Миклуха-Маклай вирішив відправитися на ній у Сінгапур - упорядкувати колекції, засісти за книги і статті про свої відкриття. На прощання він скликав папуасів з усіх околишніх сіл і попередив їх, що білі люди можуть виявитися работорговцями і піратами. Дійсні друзі подадуть особливий "знак Маклая", і тоді папуаси можуть довіритися у всьому братам "Тамо-руса".
Після подорожі 1879-1880 років Меланезією він з'ясував, що на південному березі Нової Гвінеї живуть ті ж папуаси, що й на Березі Маклая, і на березі Папуа-Ковіай.
У 1882 році після дванадцяти років мандрівок Миклухо-Маклай повернувся в Петербург. Він став героєм дня. Газети і журнали повідомляли про його приїзд, викладали біографію, Учені товариств Москви і Петербурга влаштовували засідання на його честь. У листопаді 1882 року Миклуха-Маклай зустрічався в Гатчині з царем Олександром III.
Миклуха-Маклай напружено стежив за подіями у світі. У 1884 році східну частину Нової Гвінеї розділили Німеччина й Англія. Німці закріпили за собою північно-східну, англійці - південно-східну частини острова. Отто Фінш, який з'явився на Березі Маклая скориставшись замітками Миклуха-Маклая, підготував це захоплення. Одного разу Отто Фінш зізнався, що при цьому він видав себе за "брата Маклая".
Він намагався побачитися з російським ученим, щоб вивідати "знак Маклая", про що простодушний Маклай повідомляв усім, хто цікавився його улюбленою наукою.
Миклухо-Маклай з Мельбурна відправив Бісмарку телеграму: "Тубільці Берега Маклая відкидають німецьку анексію". Того ж дня він послав телеграму Олександрові III, благаючи російського царя заступитися за папуасів. У лютому 1886 року Миклухо-Маклай залишив Австралію і в квітні прибув у Росію.
З Одеси він відразу ж направився в Лівадію, де домігся прийому в Олександра III. Він запропонував царю заснувати російське поселення на Березі Маклая. Олександр III доручив новогвінейську справу спеціальної комісії; комісія відкинула проект Миклуха-Маклая, і цар виніс вердикт: "Вважати цю справу закінченою. Миклухо-Маклаю відмовити".
Останні дні життя Миклухо-Маклай провів у клініці Вілліє при Військово-медичній академії. Миклуха-Маклай помер на лікарняному ліжку о 9 годині 30 хвилин в суботу 2 квітня 1888 року. Ховали його на Волковському цвинтарі. На непомітній могилі поставили дерев'яний хрест із коротким написом.
Внесок Миклухо-Маклая в антропологію й етнографію був величезним. У своїх подорожах він зібрав безліч даних про народи Індонезії і Малайзії, Філіппін, Австралії, Меланезії, Мікронезії і західної Полінезії. Він першим описав папуасів як визначений антропологічний тип.
