W roku 1839 został członkiem zagranicznym Royal Society.
W tymże roku Alexander von Humboldt, przyjaciel Melloniego i wybitny geolog, zaproponował na dworze Burbonów jego kandydaturę na dyrektora organizowanego wówczas obserwatorium Wezuwiusza (Osservatorio Vesuviano). Kandydatura została zaakceptowana przez Ferdynanda II. Melloni wrócił do Włoch i zamieszkał w Neapolu. Kierował „Konserwatorium Sztuk i Rzemiosł” oraz Osservatorio Vesuviano do roku 1848 (formalnie do 6 listopada 1849). W tym roku za udział w ruchu liberalnym został pozbawiony wszystkich funkcji publicznych. W uznaniu osiągnięć naukowych przebywał na „wygnaniu” w Villa Moretta w Portici, gdzie kontynuował badania właściwości promieniowania cieplnego.
Zmarł na cholerę w Portici w wieku 56 lat.
Zakres badań thumb|240px|Barwa i natężenie światła emitowanego przez lawę wulkaniczną zależy od jej temperatury Badania promieniowania cieplnego, wykonane przez Melloniego, poprzedzały o ponad 20 lat sformułowanie przez Kirchoffa jego prawa promieniowania, według którego zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego zależy w stanie równowagi wyłącznie od jego temperatury (pojęcie ciała doskonale czarnego Kirchhoff wprowadził w roku 1862). Poprzednikami Melloniego, z których osiągnięć korzystał, byli m.in.