На практике последовательное претворение планов Фиорелли означало превращение Помпей из рудника в музей мирового значения. Загубленный катастрофой и варварским отношением изыскателей город начали сохранять для потомков, причем не отдельными частями, а целиком, как единую историко-художественную композицию. С подачи увлеченного человека, каковым несомненно являлся Фиорелли, в помпейских домах, улицах, площадях, портиках, колоннах и статуях виделась живая повесть о погибшем мире.
В 1842 году литератор и путешественник Алексей Левшин опубликовал сочинение «Прогулки русского в Помпее», где в романтичном духе времени были описаны впечатления от поездки в Кампанию. Отрекомендовавшись «членом разных ученых обществ, российских и иностранных», автор предложил себя в «путеводители тому, кто расположен предаваться энтузиазму при обозрении остатков Помпеи, тем более что они представляют предмет, достойный внимания». Убежденный в том писатель «предпринял описание тем охотнее и усерднее, что не нашел на русском языке ни одного сочинения, представляющего полное понятие о настоящем положении самой чудесной и любопытной из всех развалин мира».
Время прогулок Левшина пришлось на 1830-е годы, когда Помпеи представляли собой жалкое зрелище. Тогда немногие из посетителей отваживались пробраться к центру города, ведь для этого приходилось карабкаться по грудам мусора и обломков, рискуя попасть в едва прикрытую пустоту или скатиться в глубокую рытвину. По распоряжению Фиорелли мусор был убран, оставшиеся без крыш стены закреплены, проходы к домам расчищены, и только после этого начались запланированные раскопки. Теперь землю вывозили по железной дороге: увлекаемые собственной тяжестью вагонетки двигались под уклон и увозили мусор далеко за пределы города.
Вскоре из-под пепла извлекли группы построек; разрастаясь и сближаясь друг с другом, они выстраивались в единую линию, в итоге собираясь в кварталы. После 12 лет кропотливой, систематической работы вместо окаменевшего моря со стенами и верхушками колонн взору зрителей предстал настоящий город. Фиорелли открыл Помпеи широкой публике, в том числе иностранной, тогда как ранее доступ к руинам был затруднен даже для итальянских ученых. По воскресным дням туристов пропускали бесплатно, в будни город посещали исследователи, платившие всего 2 франка за осмотр в сопровождении проводника.
Тотчас по вступлении в новую должность Фиорелли добился стабильного финансирования объекта. Получая хорошие оклады, служащие могли не унижать себя воровством: ранее ценности продавали всем, кто предлагал достаточную сумму. Итальянский археолог сумел сформировать школу, воспитавшую плеяду честных и увлеченных людей, будущих руководителей раскопок, предпочитавших работать в духе и по планам наставника.
Главной заслугой Фиорелли считается переворот в самой археологии, в частности внедрение метода раскопок слоями. Ранние исследователи могли только догадываться, что в зданиях Помпей имелись вторые этажи: на их существование указывали лестницы. Раскопанные снаружи стены не выдерживали давления земляной массы изнутри и обваливались. Методика Фиорелли позволила открыть новую страницу италийской архитектуры. Итальянец распорядился производить расчистку по целым кварталам, раскапывая сверху, постепенно снимая землю тонкими слоями. Найденные балки, детали крыш, характерные части дома бережно сохраняли. В случае утраты какой-либо части ее заменяли, изготавливая новую деталь с точным соблюдением стиля.
Изобретенный Фиорелли способ заливки пустот гипсом позволял получить прекрасные слепки с истлевших трупов. Известно, что Помпеи накрыло двойным слоем вулканических пород. В Геркулануме каменный дождь пошел во второй половине дня и одновременно с ним хлынул горячий ливень. Кипящая влага смешалась с пеплом, образовав тяжелую массу, которая плотно облепила останки, сохранив точные контуры тел и предметов. Живые ткани истлели, но остались пустоты, которые по методу Фиорелли заливали гипсом, получая точные слепки того, что пролежало в лаве много столетий. Отвердевший гипс представлял собой каменную копию погибшего, где с абсолютной точностью передавались черты лица и поза человека в момент смерти. Таким же способом был восстановлен первоначальный облик дверей, кровельных балок, лож, различной деревянной утвари.
Фиорелли находился в Помпеях до 1875 года, покинув город после получения должности главного руководителя всех итальянских музеев и археологических раскопок. Спустя несколько лет на помпейском форуме появилась его статуя, заняв почетное место рядом с пьедесталами императоров и знатных граждан Древнего Рима.