Sa nomination, en 1666, à l'Académie des sciences représenta le véritable point de départ de son itinéraire scientifique. Au sein de cette compagnie de création récente, il prit très vite la tête du groupe de médecins et d’anatomistes.
C'est dans ce cadre qu'il assuma, en 1671 et en 1676, la publication de deux livraisons monumentales des Mémoires pour servir à l'histoire naturelle des animaux dont il avait observé l'anatomie. Rectifiant de nombreuses erreurs commises par les Anciens, Perrault ouvrit la voie à ce qui deviendra l'anatomie comparée. Quitte à observer, il s'intéressa à des sujets aussi divers que la mécanique, la circulation de la sève, etc.
Parallèlement, il s'intéressa à l'anatomie et à la physiologie humaines. Ses Essais de physique, parus entre 1680 et 1688, comprennent l'une des premières descriptions précises de la structure de l'oreille interne ainsi que l'exposition d'une curieuse théorie animiste du vivant, qui annonçait certaines conceptions du siècle des Lumières.
Claude Perrault mourut victime d'une infection, après avoir disséqué un chameau au Jardin des Plantes. Il fut inhumé en l’église Saint-Benoît, aujourd’hui disparue, où aucune trace de sa tombe n’a jamais été retrouvée.
Dans le registre paroissial de l'église on peut lire la mention suivante : M. Claude Perrault de l'Académie royale des sciences et docteur en médecine de la faculté de Paris a été pris en sa maison dans la place de Fourcy autrefois dite de l'Estrapade et inhumé en l'église, le onzième jour d'octobre mil six cent quatre-vingt huit, en présence de monsieur Perrault (Charles) ancien contrôleur des bâtiments du Roy et l'un des quarante de l'Académie française, son frère, de M. Hector Hermand Guichon et autres qui ont signé : Perrault, Guichon, Charles Perrault, Pierre Perrault.