C'est aussi en 1876 qu'il publie L'Homme criminel (L'Uomo deliquente), dans lequel il défend la thèse selon laquelle la « délinquance » serait nettement plus fréquente chez certaines personnes porteuses de caractéristiques physiques, ce qui serait en faveur du caractère inné de certains comportements. Il s'oppose ainsi aux conceptions sociologiques où les déviances seraient conséquences du milieu. Lombroso est aussi proche des tendances accréditant l'idée d'une décadence générale de la société, pensant que la criminalité est appelée à augmenter.
Pour cela, il a approfondi les recherches en matière d'anthropologie liées aux questions de criminalité. Médecin militaire, il va utiliser son métier comme lieu d'observation privilégié en étudiant principalement les soldats « délinquants » par la réalisation de l'étude anthropométrique de ceux-ci.
À l'issue de travaux sur des milliers de crânes d'individus condamnés pour des actes criminels, il observe la fréquence de certaines caractéristiques, ce qui lui permet d'en déduire certaines « lois » qui le convainquent que la criminalité est innée (plus précisément, qu'environ 1/3 de la population criminelle le serait de façon héréditaire) et peut se déduire des caractéristiques physiques. Selon lui, la criminalité est une marque d'atavisme, c'est-à-dire de régression évolutive. Il s'avance jusqu'à prétendre que certaines catégories de délinquants ont leurs propres caractéristiques crâniennes, ce qui permet de les distinguer. Outre le crâne, d'autres critères anatomiques sont utilisés, tels que, par exemple, la longueur « excessive » des bras (qui rapprocherait les criminels des singes), une dentition anormale ou encore le fait d'avoir des doigts de pied ou de main en trop.
Il étudie aussi dans son livre les tatouages, en affirmant, à partir d'observations empiriques, que cet usage, réminiscence des pratiques « sauvages », se rencontre plus souvent chez les « classes inférieures » de la société ainsi que chez les prostituées, les « pédérastes » et les « criminels », chez qui le dessin ou l'inscription porte souvent l'« empreinte caractéristique du crime » (telles que « Pas de chance », « mort aux femmes infidèles », « la liberté ou la mort », « mort aux gendarmes », « la vie n'est que désillusion », « vivent la France et les pommes de terre frites » (sic), etc.). Les dessins obscènes seraient, selon lui, le fait de repris de justice ou d'anciens déserteurs, etc.
Toujours en 1893, Lombroso écrit aussi « L'antisémitisme et la science moderne », à la demande de la Neue Freie Presse et de la Revue des revues de Jean Finot, qui dénonce l'antisémitisme comme pathologie et démontre l'inexistence de ses fondements prétendument scientifiques. Bernard Lazare lui écrira pour obtenir son soutien dans la défense du capitaine Dreyfus.
Cette même année, il écrit La Donna delinquente, la prostituta e la donna normale (traduit en 1896 en français sous le titre La femme criminelle et la prostituée) qui fait de la prostitution l'équivalent féminin de la criminalité, et où il écrit, phrase célèbre, « la criminelle-née est pour ainsi dire une exception à double titre, comme criminelle et comme femme (...) Elle doit donc, comme double exception, être plus monstrueuse ».
Liant la criminalité féminine à la menstruation (celle-ci aurait cours des premières menstrues jusqu'à la ménopause), ce livre montre que pour Lombroso, l'appartenance à la bourgeoisie est un signe d'honnêteté et de normalité, et l'appartenance aux classes populaires un indice d'anomalie. Partageant une vision sexiste, Lombroso compare la femme à une nature inférieure à l'homme, et lui qu'il donne une nature essentiellement mauvaise, germe sur lequel se développerait la prostitution, qui ne devrait rien aux causes sociales (misère, etc.). La prostitution se développant sur le fond universellement mauvais de la femme, elle aurait son équivalent chez les riches, où elle prend le visage de l'adultère. De façon peut-être contradictoire, il s'oppose à l'éducation des femmes, considérant que cela risquerait de les arracher au foyer et à la maternité, et par ce biais de favoriser la « criminalité latente » chez cette « nature inférieure ».