Les trois livres constituant le volume XII de son Histoire naturelle paraissent du vivant d'Aldrovandi. En 1599, paraît le premier tome sous le titre d'Ornithologiae, hoc est de vibus historia libri XII consacré aux rapaces. En 1600, Ornithologiae tomus alter est consacré aux oiseaux terrestres utilisés dans l'alimentation et aux oiseaux chanteurs. Enfin, en 1603, Ornithologiae tomus tertius, ac postremus, traite des oiseaux aquatiques ou vivant à proximité de l'eau.
Aldrovandi y décrit de nombreuses espèces nouvelles, notamment en provenance d'Amérique, d'Afrique et d'Asie. Parmi celles-ci, on peut citer le Casoar, plusieurs toucans et calaos. Il mentionne même une espèce de pie provenant du Japon.
Son œuvre n'est pas exempte d'erreurs, puisqu'il confond les dindons venant d'Amérique avec les pintades venant d'Afrique. Il est moins critique et écrit avec moins de style que Conrad Gessner, mais ses illustrations sont meilleures et sa classification plus évoluée.
Il donne les noms grecs, hébreux, arabes, latins et italiens. Il donne, pour chaque espèce, des descriptions détaillées où il précise ses mœurs, son régime alimentaire, les techniques de capture et d'élevage, sa qualité culinaire, son utilité en médecine, la place qu'elle occupe dans les emblèmes ou la mythologie, sacrée ou profane, les proverbes ou les symboles. Il s'intéresse aussi à l'anatomie et l'incubation des œufs.
Par bien des aspects, son œuvre est très originale et contient de nombreuses informations jamais publiées auparavant : par exemple, des illustrations anatomiques pour décrire le mouvement des mandibules chez les perroquets.
C'est Bartholomée Ambrosini, professeur à Bologne, qui édite les deux livres sur les serpents et les lézards après la mort d'Aldrovandi : Serpentium et Draconum historiæ libri duo. Vingt-deux chapitres sont consacrés aux reptiles et six à des lézards ainsi qu'à quelques animaux fabuleux comme le dragon.
À sa demande et sous sa direction, un jardin botanique ouvert au public est créé à Bologne en 1568. Suite à une controverse avec les pharmaciens et les médecins de sa ville, en 1575, on lui supprime le droit d'enseigner. En 1577, il sollicite l'aide du pape Grégoire XIII (un cousin de sa mère) pour obtenir des autorités de Bologne la restitution de ses charges ainsi qu'une aide financière pour faire paraître ses ouvrages. Il lègue ses immenses collections naturalistes à l'université de Bologne permettant ainsi la création d'un muséum d'histoire naturelle, l'un des premiers en Europe. Son herbier était ainsi constitué de plus de 7 000 échantillons qu'Aldrovandi utilisait durant son enseignement.
Dans Les Mots et les choses (p. 54-55 et 141), Michel Foucault traite l'œuvre d'Aldrovandi comme caractéristique du système de pensée de la Renaissance. En particulier, cet auteur lui sert de levier pour montrer que son travail scientifique n'était pas moins rigoureux que celui de Buffon, mais reposait seulement sur une autre disposition fondamentale du savoir, ou épistémè. Ce qui a changé, de l'un à l'autre, n'est pas le degré de rigueur scientifique, mais le type de discours qu'on attendait d'un scientifique, la conception de l'ordre.
En 1602, il fait paraître De animalibus insectis libri septem, cum singulorum iconibus ad vivum expressis consacré aux insectes et à d'autres invertébrés.