Desiderando poi di far pratica astronomica in un grande Osservatorio, nel giugno 1859 si recò a Pulkova presso Pietroburgo, dove ebbe occasione di esercitarsi sotto la direzione di Otto Struve e di A. Winnecke. Ivi passò un anno osservando e calcolando; essendo frattanto stato nominato secondo astronomo nell'Osservatorio di Brera a Milano, tornò in patria nel luglio 1860 dove assunse il suo incarico sotto il direttore di quell'osservatorio, Francesco Carlini. Essendo questi passato a miglior vita il 29 agosto 1862, con decreto delli 8 settembre consecutivo Schiaparelli fu nominato Direttore dell'Osservatorio di Brera, il qual posto ora (1898) occupa da 36 anni.
      In questo suo incarico egli ebbe occasione di compiere lavori di vario genere e di fare anche alcune scoperte scientifiche. Nel 1861 scoprì Esperia, il 69° dei piccoli pianeti che corrono fra Marte e Giove. Nel 1866 trovò la relazione che esiste fra le stelle cadenti e le comete e provò che quelle sono il risultato della dissoluzione di queste. Nel 1875 spiegò la teoria delle sfere omocentriche di Eudosso antico astronomo, che fin allora non era stata da alcuno completamente intesa. Nel 1877 cominciò i suoi lavori sul pianeta Marte, nel quale constatò diversi fenomeni interessanti, specialmente quello delle linee duplicate o geminazioni. Negli anni 1882 e seguenti cominciò lo studio del pianeta Mercurio, dal quale trasse l'inaspettata conclusione che per questo pianeta sono uguali i periodi della rotazione e della rivoluzione, come per la Luna.