Общество одесских врачей по рекомендации Мечникова решило направить Гамалею в Париж, чтобы изучить опыт пастеровских прививок против бешенства.
Гамалея блестяще справился с трудным поручением. Он глубоко изучил метод Пастера, усовершенствовал свои знания в области техники бактериологических исследований. Ему удалось завоевать уважение и симпатии великого ученого и заручиться его поддержкой в организации прививок в России.
Летом того же года Гамалея вернулся в Россию и вместе с Мечниковым организовал Одесскую бактериологическую станцию. Вскоре она выросла в крупный научный институт. Воспитанниками его были такие выдающиеся ученые, как Я. Ю. Бардах, Д. К. Заболотный, П. Н. Диатроптов, В. К. Стефанский.
В первый период научной деятельности, в 1886–1892 годах, Н. Ф. Гамалея занимался главным образом изучением бешенства, сибирской язвы, холеры и бактерийных ядов.
Он усовершенствовал пастеровские прививки, применив так называемый интенсивный метод: повторными введениями пострадавшему прививочного материала ему удалось усилить его лечебное действие.
Гамалея объяснил причины наблюдавшихся иногда неудачных прививок. Оказалось, что прививки против бешенства не помогают в период явного заболевания, а также тогда, когда признаков болезни еще нет, но яд бешенства достиг клеток центральной нервной системы.
Основываясь на работах Одесской станции, где тогда скромно трудилось всего пять сотрудников, Гамалея представил на суд международной науки факты, неопровержимо свидетельствующие об эффективности пастеровских прививок. Чтобы доказать полную безвредность прививок, Гамалея и Бардах ввели себе пастеровскую вакцину. Это был смелый, самоотверженный Фото А. Лесса поступок.
Рука об руку со своим учителем Мечниковым шел Гамалея и в решении проблемы невосприимчивости к заразным болезням. Мечников всю жизнь развивал и страстно защищал теорию фагоцитоза.
Гамалея признавал ее не единственной в образовании иммунитета — невосприимчивости организма. Он считал роль фагоцитов второстепенной. По его мнению, в развитии иммунитета основное значение имеют вещества, вырабатываемые в тканях.
Н. Ф. Гамалея разработал учение о болезнетворных ядах бактерий, о токсинах. Его труд «Бактерийные яды», увидевший свет в 1892 году, был по существу первой научной монографией, в которой разъяснено, что болезнетворное действие микробов обусловлено влиянием на организм их ядов. Теперь это положение общепризнанно и имеет большое значение для широкого применения лечебных и профилактических сывороток.
По книгам академика Гамалеи, а он оставил свыше четырехсот работ, училось и учится не одно поколение отечественных врачей и биологов. Такие его монографии, как «Инфекции и иммунитет», «Биологические процессы разрушения бактерий», «Учение об инфекции» — уникальные в мировой литературе.