Praca naukowa Początkowo skupiał się tylko na systematyce glonów i grzybów, później zajął się również fizjologią i biogeografią. Był współtwórcą 25 tomowego dzieła Sylloge Fungorum hucusque cognitorum, w którym opisał grzyby Gasteromycetes, Phycomycetes, Ustilaginales, Uredinales, a następnie Schizomycetes i Saccharomycetes. W 1889 r. opublikowano jego napisane po łacinie monumentalne dzieło Sylloge Algarum omnium hucusque cognitarum. Była to syntetyczna, 6–tomowa praca, w której zebrał informacje o 14 440 gatunkach glonów z całego świata, opisanych już w wielu broszurach, książkach i czasopismach przez licznych autorów. Było wśród nich wiele gatunków po raz pierwszy opisanych przez de Toniego.
Jako przyrodnik-historyk opublikował pracę na temat Leonarda da Vinci, zatytułowaną „Le piante e gli animali in Leonardo da Vinci” (Rośliny i zwierzęta w dziełach Leonardo da Vinci). Od 1890 był redaktorem czasopisma „La Nuova Notarisia”, kwartalnika poświęconego badaniu glonów.