Во время своего кратковременного пребывания в Западной Микронезии – на о-вах Палау и о-вах Яп – Николай Николаевич дал ценные заметки о нескольких интересных обычаях местных жителей (например, обычай искусственного сдавливания носа новорожденным на о-вах Яп) и об отдельных элементах их религиозных верований и мифологических представлений. Немалую значимость представляют его описания антропологических особенностей островитян этих островных групп. Так, на о-вах Палау он выявил у местных жителей наличие папуасской примеси (т.е. признаков австралоидной расы), но по его описанием она присутствует на о-вах Яп, что полностью согласуется с более поздними антропологическими и генетическими исследованиями в этом регионе.
При посещении Северо-Западной Меланезии (о-ва Адмиралтейства, Западные о-ва) Маклаем был также собран важный этнографический и антропологический материал. Особо следует отметить его исследование о-вов Хермит (входят в состав Западных островов), где он находился всего 3 дня, но за это время успел собрать много информации, как по традиционной культуре, так и по физическому облику коренных обитателей этой малоизвестной группы островов.
В течение второй экспедиции по Малаккскому полуострову Николай Николаевич стал первооткрывателем сенойских племен семелай и темок, а также небольшого семангского племени батак-де, представляющего хозяйственно-культурный тип бродячих охотников и собирателей. Несмотря на отрывочный характер записей Н.Н.Миклухо-Маклая по этим племенам, содержащиеся в них сведения – уникальный этнографический источник.
Что касается биологических наук, то взгляды и формулировки молодого студента Миклухо-Маклая на природу губок были гораздо ближе к современным научным воззрениям, нежели взгляды его учителя Эрнста Геккеля. Маклай, основываясь на изучении губок северных и дальневосточных морей, с одной стороны, и Красного моря – с другой, констатировал особое богатство Красного моря известковыми губками, а северных морей – кремневыми. Позднейшие исследования вполне подтвердили правоту Николая Николаевича: для холодных морей северного и южного полушарий особенно характерны четырехосные кремневые губки из семейства Polymastiidae.
Подготавливая экземпляр полученной ехидны к анатомированию, Н.Н. Миклухо-Маклай решил попутно исследовать температуру ее тела, в результате чего оказалось, что температура тела ехидны на 10 градусов ниже температуры плацентарных млекопитающих. Проверив наблюдения на утконосе, Маклай получил вполне сходные результаты. Повторные исследования, проведенные впоследствии Р. Земоном и А. Сезерлендом, не только подтвердили данные Маклая, но и установили факт значительных (по Земону – на 7-8 градусов) колебаний температуры тела клоачных, в зависимости от изменений внешней температуры, следовательно, отсутствие у них настоящей гомойотермности. Таким образом, первые сведения об этой биологической особенности клоачных были получены Маклаем.
Как биолог Николай Миклухо-Маклай был эволюционистом, хотя нигде себя таковым не афишировал и избегал рассуждений на теоретические темы. Но эволюционная точка зрения, убеждение в неограниченной способности организмов, особенно низших, изменяться под воздействием внешних условий, видны во всех работах ученого, начиная от юношеских исследований губок и заканчивая изучением организации акул гетеродонтов. Подобно большинству своих современников Маклай высказывался в пользу наследственной передачи приобретенных особенностей.
Кроме того, в 1881 г. Н.Н.Миклухо-Маклай основал в Уотсонс-бэй (Новый Южный Уэльс, Австралия) первую в Южном полушарии морскую биологическую станцию, в которой проводил свои научные исследования.
Также немалая заслуга Н.Н. Миклухо-Маклая как ученого лежит и в области наук о Земле, в частности, вулканологии, метеорологии, океанологии и геотермии. Так, он впервые описал морские террасы на северо-восточном побережье Новой Гвинеи и выявил причины их образования, внеся тем самым значительный вклад в изучение геоморфологии и тектоники этого региона. В 70-х гг. XX столетия детальными геоморфологическими исследованиями, проведенными под руководством австралийского ученого Дж. Шепелла, установлено 14 морских коралловых террас, наиболее четко прослеженных между деревней Гитуа и рекой Массавег, к юго-востоку от Берега Маклая. Советские ученые, посетившие Берег Маклая в 1971 г. на научно-исследовательском судне «Дмитрий Менделеев», установили, что береговую полосу в районе деревни Бонгу образуют шесть террас.
Не будучи специалистом в области физики атмосферы, Миклухо-Маклай в целом дал правильное описание накоплению облаков на вершинах гор: «во-первых, днем ветер гонит влажные слои воздуха к горам, где они, подымаясь, охлаждаются и образуют облака, сгущающиеся постепенно все более и более, по мере пребывания новых количеств свежего воздуха; во-вторых, ночью воздух над морем будучи теплее, чем над сушей, появляется ветер с берега, который постепенно уносит облака и открывает горы, которые бывают ясны только рано утром».
Маклай обратил внимание на «наше малое знакомство с климатом глубин океана», что отчасти справедливо и в современную эпоху. Термин «климат океана» широко применяется в настоящее время. Не исключено, что именно Миклухо-Маклай первым ввел его в научный оборот.
Утверждение Николая Николаевича о том, что «вода в глубинах океана находится в постоянном движении и что в водах океана существует обмен вод экваториальных и полярных» верно и соответствует современным научным представлениям. Н.Н. Миклухо-Маклай первым провел наблюдение температуры на глубине 1000 саженей в экваториальном районе Атлантического океана.
Миклухо-Маклая можно считать одним из пионеров геотермических наблюдений в Австралии, проводившиеся им в золотопромышленном руднике Магдала, расположенном вблизи городка Стоуэл, примерно в 200 км к северо-западу от Мельбурна. Незадолго до него сходные наблюдения, но в менее глубоком руднике, провел геолог Ч. С. Уилкинсон. Однако он не опубликовал материалы своих измерений.
Как общественный деятель Миклухо-Маклай активно боролся против работорговли и колониальных захватов в Южной части Тихого океана. Вернувшись в Россию после длительных путешествий он добился аудиенции у Александра III, где предложил царю основать русское поселение на Берегу Маклая, но этот проект был позже отвергнут.