Ronald Ross 1881. szeptember 22-én indult Indiába a Jumma csapathajóval. 1881 és 1894 között több helyen volt kihelyezve Madrasban, Moulmeinben (Burmában/Mianmarban), Beludzsisztánban, az Andamán-szigeteken, Bangalore-ban és Secunderabadban. 1883-ban megbízott helyőrségi sebésznek nevezték ki Bangalore-ban és észrevette a szúnyogok elleni védekezés lehetőségét a vízhez való hozzáférésük korlátozásával.
1894 márciusában hazautazott, és családjával Londonba ment. 1894. április 10-én találkozott először Sir Patrick Mansonnal. Manson, aki Ross mentora lett, bevezette őt a maláriakutatás valódi problémáiba. Manson mindig is szilárd meggyőződése volt, hogy India a legjobb hely a tanulmányozásra. Ross 1895. március 20-án visszatért Indiába a P&O Ballaarat nevű hajóján, és április 24-én szállt partra Secunderabadban. Még azelőtt, hogy csomagjait a vámhivatalban kitisztították volna, egyenesen a Bombay Polgári Kórházba ment, maláriás betegeket keresett, és vérmintákat kezdett levenni.
Ross 1895 májusában tette meg első fontos lépését, amikor megfigyelte a maláriás parazita korai stádiumát egy szúnyog gyomrában. Lelkesedése azonban megszakadt, amikor Bangalore-ba küldték, hogy kivizsgálja a kolera kitörését. Bangalore-ban nem fordult elő rendszeres malária. A következőt mondta Mansonnak: „Ki vagyok zárva a foglalkoztatásból, és nincs dolgom”. Áprilisban azonban alkalma nyílt meglátogatni az ootyi hegyi állomás melletti Sigur Ghat-ot, ahol sajátos testtartásban szúnyogot vett észre a falon, és ezért a fajt nem ismerve „foltos szárnyú” szúnyognak nevezte. 1896 májusában kapott egy rövid szabadságot, amely lehetővé tette számára, hogy meglátogassa az Ooty környéki malária endémiás régiót. Napi kinin-profilaxisa ellenére három nappal érkezése után súlyos maláriában betegedett meg. Júniusban áthelyezték Secunderabadba.
Két évnyi kutatási kudarc után, 1897 júliusában Rossnak sikerült 20 felnőtt „barna” szúnyogot tenyészteni az összegyűjtött lárvákból. Sikeresen fertőzte meg a szúnyogokat egy Husein Khan nevű pácienstől 8 annas áron (vérrel táplált szúnyogonként egy anna). A véretetés után feldarabolta a szúnyogokat. Augusztus 20-án megerősítette a maláriás parazita jelenlétét a szúnyog belében, amelyet eredetileg „foltosszárnyúként” azonosított (amelyről kiderült, hogy az Anopheles nemzetség faja). Másnap, augusztus 21-én megerősítette a parazita növekedését a szúnyogban. Ezt a felfedezést 1897. augusztus 27-én tették közzé az Indian Medical Gazette-ben, majd a British Medical Journal 1897. decemberi számában.
1897 szeptemberében Rosst áthelyezték Bombaybe, ahonnan egy maláriamentes Kherwarába küldték Rajputanába (ma Rajasthan). A munka hiányában csalódottan azzal fenyegetőzött, hogy lemond a szolgálatáról, mivel úgy érezte, hogy ez halálos csapást mért a törekvésére. Csupán Patrick Manson közbenjárására intézkedett a kormány, hogy Kalkuttában „különleges szolgálatban” folytassa a munkáját. 1898. február 17-én érkezett Kalkuttába (ma Kolkata), hogy az elnökségi általános kórházban dolgozzon.
Ross azonnal kutatást végzett a malária és a zsigeri leishmaniasis (más néven kala azar) területén, amelyre őt bízták meg. Kutatásaihoz Cunningham főhadnagy sebész laboratóriumát kapta. Nem járt sikerrel a maláriás betegeknél, mert mindig azonnal kaptak gyógyszert. Bungalót épített laboratóriummal Mahanad faluban, ahol időnként megszállt, hogy szúnyogokat gyűjtsön a faluban és környékén. Mivel Kalkutta nem volt maláriás hely, Manson rávette, hogy használjon madarakat, ahogyan más tudósok is használják, például Vaszilij Danilevszkij Oroszországban és William George MacCallum Amerikában. Ross eleget tett, de felpanaszolta, hogy „nem kell Indiában tartózkodnia ahhoz, hogy tanulmányozza a madármaláriát”. Márciusban eredményeket tapasztalt a madarak élősködőivel kapcsolatban, amelyek nagyon közel állnak az emberi maláriás parazitákhoz.
A madarak (fertőzött verebek) kényelmesebb modelljét használva 1898 júliusára Ross megállapította a culex szúnyogok jelentőségét a madármalária köztes gazdájaként. Július 4-én felfedezte, hogy a szúnyogban a nyálmirigy a maláriás paraziták tárolóhelye. Július 8-án meg volt győződve arról, hogy a paraziták a harapás során szabadulnak ki a nyálmirigyből. Később bemutatta a maláriás parazita szúnyogokról (jelen esetben Culex fajokról) az egészséges verebekre való átterjedését egy fertőzöttről, így létrehozva a maláriás parazita teljes életciklusát.
1898 szeptemberében Dél-Assamba ment (északkelet-indiai), hogy tanulmányozza a zsigeri leishmaniasis járványát. Graham Col Ville Ramsay, a Labac Tea Estate Hospital második tisztiorvosa hívta meg dolgozni. (Mikroszkópját és orvosi eszközeit máig őrzik, szúnyogvázlatait pedig még mindig kiállítják a kórházban.) Azonban teljes kudarcot vallott, mert úgy vélte, hogy a kala-azar parazitát (Leishmania donovani) egy szúnyog terjesztette, amelyet Anopheles rossi néven emleget (a tudományos nevet G. M. Giles adta). (Ma már ismert, hogy a kala azart a homoklegyek terjesztik.)
Ross matematikai modelleket dolgozott ki a malária-epidemiológia tanulmányozására, amelyet 1908-as Mauritiusról szóló jelentésében kezdeményezett. A koncepciót 1910-ben A malária megelőzése című könyvében dolgozta ki (2. kiadás 1911-ben), majd általánosabb formában dolgozta tovább a Royal Society által 1915-ben és 1916-ban publikált tudományos közleményekben. Epidemiológiai munkájának egy részét Hilda Hudson matematikussal dolgozta ki. Ezek a dolgozatok olyan mély matematikai érdeklődést jelentettek, amely nem korlátozódott az epidemiológiára, hanem arra késztette, hogy anyagilag hozzájáruljon mind a tiszta, mind az alkalmazott matematikához.
Ronald Ross Nobel-díjat kapott a madarak maláriás parazita életciklusának felfedezéséért. A malária terjedésének koncepcióját nem emberekre, hanem madarakra építette fel. Ross volt az első, aki kimutatta, hogy a maláriás parazita fertőzött szúnyogok, az ő esetében a Plasmodium relictum, csípése útján terjed. 1897-ben egy olasz orvos és zoológus, Giovanni Battista Grassi kollégáival együtt meghatározta a malária paraziták fejlődési stádiumait anofelin szúnyogokban; és a következő évben leírták a P. falciparum, a P. vivax és a P. malariae teljes életciklusát.
