Während einer Mission für den Louvre im Jahr 1850, auf der Suche nach alten Papyri, entdeckte Mariette den unterirdischen Komplex des Serapeions, die Begräbnisstätte der Apisstiere in Sakkara. Von 1850 bis 1854 rief er ein Programm zur Freilegung antiker Stätten in Ägypten ins Leben. Dieses Programm beschäftigte über 7000 Arbeiter und umfaßte Ausgrabungen wie Gizeh, Theben, Abydos, Elephantine, Beni Suef, Qurna, Karnak, Tell el-Jahudije, Sakkara, Mit-Rahina, Tuna, Esna, Medinet Habu, Deir el-Bahari, Edfu, Sais, Mendes, und Bubastis. Werkstätten wurden an verschiedenen Stätten eröffnet, um die Objekte zu lagern. Es herrschte Mangel an kenntnisreichen Aufsehern und Mariettes Feldtechniken wurden nicht als besonders sachkundig angesehen. Dennoch leistete er einen Beitrag zur Archäologie, wie ihn noch keiner vor ihm geleistet hatte.

1856 übersiedelten Mariette und seine Familie für immer nach Kairo. 1863 gründete er das Ägyptische Museum. Zu Mariettes Zeit wurden ägyptische Artefakte geplündert und illegal gehandelt. Mit seiner Schaffung des nationalen Service des Antiquités setzte sich Mariette dafür ein, Artefakte als wichtige Informationsquellen zu betrachten, und daß sie den Ägyptologen überlassen werden sollten. Er schrieb ein Buch über Oberägypten und drängte Touristen, die Monumente ordentlich zu behandeln und ihre historische Wichtigkeit zu würdigen.