Oggetto delle sue ricerche furono la genetica e l'ematologia, la biologia e la riproduzione, l'evoluzione della sessualità. Montalenti aderì pienamente al darwinismo e si batté in un clima intellettuale dominante tutt'altro che facile. In Italia fu tra i primi a vedere nella teoria dell'evoluzione la svolta nelle dottrine scientifiche sulla cultura moderna, in campo filosofico e sociale. Si occupò dei problemi di conservazione della natura e delle sue risorse: all'Accademia dei Lincei ribadì spesso l'importanza della salvaguardia dell'ambiente.
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