Explorà i estudià, juntament amb R.Jeannel, més de 1 200 coves, balmes i cavernes d’Europa, Àfrica i Amèrica, i recollí un valuós material zoològic, que ha fet possible el coneixement científic de la fauna anomenada cavernícola.
L’any 1923 descobrí la manera de convertir la toxina diftèrica en l’anatoxina corresponent, que, a més de no ésser tòxica, conserva el poder antigènic i per això pot ésser utilitzada com a vacuna. Usà el mateix sistema per a la vacunació contra el tètan i en la preparació de vacunes associades.
Fill d’un metge rural, de temperament inquiet i absorbit pel dibuix en la seva infantesa, estudià medicina a Saragossa, féu oposicions a la sanitat militar i fou enviat a Cuba (1874), en plena revolta contra la metròpolis. En examinar-se de doctorat a Madrid (1877), tingué per primera vegada contacte amb la histologia, i el professor d’aquesta assignatura, Maestre de San Juan, l’orientà vers aquest objectiu científic.
Professor al Collège de France, és considerat com el fundador de l’escola francesa d’histologia. Autor d'Anatomie Générale (1878), aprofundí en el coneixement de l’estructura i el funcionament del sistema nerviós i descriví especialment els nòduls de Ranvier o cadascuna de les interrupcions de la beina de mielina dels axons de la neurona.
Fou un dels fundadors de la botànica sistemàtica. Introduí els conceptes de monocotiledoni i dicotiledoni i els utilitzà en la classificació de les plantes herbàcies. En la seva monumental Historia plantarum generalis (1686-1704) descriví i classificà més de divuit mil espècies botàniques.
Fou l’autor del primer tractat de parasitologia (Osservazioni intorno agli animali viventi che si trovano negli animali viventi, 1684), on descriví més de cent espècies de paràsits. Ideà i realitzà una llarga sèrie d’experiments per tal de provar la fal·làcia de la pretesa generació espontània, acceptada per la majoria dels savis del seu temps.
Els seus estudis sobre els embrions d’ocells i mamífers el portaren a distingir i a batejar amb els mots universalment acceptats d’ectoderma, mesoderma i endoderma les tres capes germinatives (Untersuchungen über die Entwicklung der Wirbelthiere, 1845). Són conegudes amb el seu nom (fibres de Remak) les fibres nervioses sense mielina que prolonguen els ganglis simpàtics.
Estudià el metabolisme i els processos sexuals, i aïllà i identificà les funcions bàsiques de la prolactina dels vertebrats. Publicà obres com ara Endocrines and Constitution in Doves and Pigeons (1947).