Dal 1968 al 1992 svolge continuativamente per più di 20 anni attività di ricerca nel campo della genetica presso il prestigioso Istituto Internazionale di Genetica e Biofisica del CNR di Napoli, prima come borsista e poi dal 1971 come ricercatore. Durante il lungo periodo napoletano alterna l'attività di ricerca con quella didattica tenendo diversi corsi universitari presso la facoltà di Scienze e la prima Facoltà di Medicina e Chirurgia dell'Università di Napoli "Federico II".
È stato direttore del Laboratorio di Biologia Molecolare dello Sviluppo presso l’Istituto Scientifico dell’Ospedale San Raffaele e Direttore di Ricerca presso il Centro per lo Studio della Farmacologia Cellulare e Molecolare del CNR di Milano. Ha dedicato molti anni allo studio dei geni che regolano la disposizione e la formazione delle varie parti del corpo umano, ottenendo risultati apprezzati in tutto il mondo. È stato direttore della SISSA, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste.Nel 2006 vince con il libro L'anima della tecnica nella sezione saggi il quarto Premio letterario Merck Serono, premio dedicato a saggi e romanzi, pubblicati in italiano, che sviluppino un confronto ed un intreccio tra scienza e letteratura, con l'obiettivo di stimolare un interesse per la cultura scientifica rendendo accessibile anche ai meno esperti.
Appassionato grecista, Boncinelli ha pubblicato nel 2008 una raccolta di lirici greci classici (da Mimnermo ad Alcmane, da Archiloco a Saffo): 365 liriche, una per ogni giorno dell'anno.
Attualmente insegna Fondamenti biologici della conoscenza nella Facoltà di Filosofia dell'Università Vita-Salute San Raffaele.
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