Il suo nome resta legato soprattutto all'antropologia criminale, di cui è ritenuto il fondatore. il più importante collaboratore "involontario" di Lombroso nei suoi studi fu il pluripregiudicato Giuseppe Villella. Lombroso sottopone ad autopsia il cadavere di Villellae dall’esame autoptico condotto sul suo cranio rileva una anomalia nella struttura cranica, una piccola fossetta.
Questa scoperta convinse Lombroso che l’anomalia non è presente negli individui. Seguendo la filosofia positivista ed il darwinismo sociale, ma soprattutto riallacciandosi alla dottrina della criminalità innata e biologicamente condizionata, Lombroso sostenne che le condotte atipiche del delinquente o del genio sono condizionate, oltre che da componenti ambientali socioeconomiche, da fattori indipendenti dalla volontà, come l'ereditarietà e le malattie nervose, che diminuiscono la responsabilità del criminale in quanto questi è in primo luogo un malato. Lombroso infatti sostenne sempre con forza la necessità di un trattamento umano per i criminali, riteneva che la riabilitazione dovesse essere l'obiettivo principale della scienza penitenziaria.
Alla sua morte, avvenuta a Torino nel 1909, Lombroso volle che la sua salma fosse consegnata a questo museo così che il genero, divenuto nel frattempo suo assistente, vi potesse effettuare una regolare autopsia, esattamente come aveva sempre fatto lui sui corpi che gli venivano affidati.