В 1852, изучая действие едкого калия на бензальдегид, открыл реакцию, в ходе которой был получен бензиловый спирт. В 1858 Канниццаро написал брошюру Краткий очерк развития философии химии (Sunto di un corso di filosopfia chimica), в которой активно поддержал сформулированную в 1811 гипотезу А.Авогадро. Согласно этой гипотезе, равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Многие ученые относились к этой революционной идее весьма скептически, а позже споры стали столь бурными, что для их разрешения в 1860 в Карлсруэ был созван Международный конгресс химиков, где состоялась горячая дискуссия с участием Кекуле, Дюма, Вюрца и других ученых. Канниццаро распространил среди присутствующих свою брошюру, в которой настаивал на строгом разграничении таких фундаментальных понятий, как атом, эквивалент, молекула, валентность, и на необходимости принятия нового учения. В 1858 Канниццаро разработал надежный метод определения атомных масс элементов по их процентному содержанию в чистых соединениях. В 1891 Лондонское королевское общество наградило Канниццаро медалью Копли.

В 1871 Канниццаро был избран в сенат, позднее стал вице-президентом. Как член совета народного просвещения курировал научное образование в Италии. Умер Канниццаро в Риме 10 мая 1910.