サン・ロレンツォ大聖堂でミケランジェロはメディチ家礼拝堂の設計も手がけ、その構成はミケランジェロに一任された。メディチ家礼拝堂は「君主の礼拝堂 (Cappella dei Principi )」と「新聖具室 (Sagrestia Nuova )」で構成され、内部にはメディチ一族に捧げられた記念碑が存在している。ミケランジェロはこの礼拝堂の完成を見ずにフィレンツェを離れており、礼拝堂は最終的にミケランジェロの弟子たちの手によって仕上げられた。メディチ家の墓所としても使用されている新聖具室の入り口には、壁際にロレンツォとジュリアーノのメディチ家兄弟の墓所として用意された2つの霊廟がある。霊廟は一日の時間帯を表現した裸体の人物彫刻で飾られており、ロレンツォの側には『夕暮』と『曙』が、ジュリアーノの側には『夜』と『昼』が、それぞれ存在する。さらにロレンツォの霊廟には『聖母子』と、メディチ家の守護聖人である聖コスマスと聖ダミアンの彫刻で飾られており、この『聖母子』はミケランジェロ自身の作品である。ミケランジェロが彫刻と内装計画の両方を担当した仕事のなかでも、このサン・ロレンツォ大聖堂メディチ家礼拝堂の聖具室が、ミケランジェロが持つ彫刻と建築の才能が一体化して表現された好例といえる建物となっている。また、1976年には聖具室の下に、壁にミケランジェロのドローイングがある隠し廊下が発見されている。
メディチ家の私設図書館を欲したローマ教皇クレメンス7世の依頼で、ミケランジェロがフィレンツェのサン・ロレンツォ大聖堂付属ラウレンツィアーナ図書館の設計を開始したのは1523年ごろである。下部に行くにつれて細くなっていく装飾用の付柱や直線と曲線が組合された階段など、新しい要素を設計に取り入れている。その後13年の間、ミケランジェロはラウレンツィアーナ図書館を断続的にしか行わず、図書館が完成、開館したのはミケランジェロが死去した後の1571年になってからだった。現在では、このラウレンツィアーナ図書館はマニエリスム様式の代表的建築物と見なされている。
ミケランジェロには別人が始めた計画を引き継いだ建築物も多く、それらの中でも最も有名なのがブラマンテ、ラファエロらの作業を受け継いだローマのサン・ピエトロ大聖堂である。カンピドリオ広場の、建物と空間とで明快に表現された設計も、ミケランジェロがサン・ピエトロ大聖堂と同時期に手がけたものである。カンピドリオ広場は正方形ではなく菱形で構成されており、このことが見かけ上の遠近感を弱める役割を果たしている。フィレンツェでミケランジェロが建築に関わった有名な建物として、サン・ロレンツォ大聖堂の未完に終わったファサード、同じくサン・ロレンツォ大聖堂付属のメディチ家礼拝堂、ラウレンツィアーナ図書館、要塞などがある。ローマでは、サン・ピエトロ大聖堂、ファルネーゼ宮殿や、サン・ジョヴァンニ・ディ・フィオレンティーニ教会、サンタ・マリア・マッジョーレ大聖堂スフォルツァ家礼拝堂、ポルタ・ピア、サンタ・マリア・デッリ・アンジェリ教会などがある。
ミケランジェロの作品とされるものには多くの真贋論争がある。有名な作品としては、フィレンツェのアカデミア美術館が所蔵する彫刻『パレストリーナのピエタ』や、フォートワースのキンベル美術館が近年購入した『聖アントニウスの苦悩』などがある。1996年にニューヨークのフランス大使館でミケランジェロ作として「再発見」され、現在はメトロポリタン美術館に貸与されているキューピッドの彫刻も、真贋がはっきりとしていない作品である。
大学院修了とともに、アメリカ合衆国のエネルギー省の機関であるブルックヘブン国立研究所に採用され、助手（Research Associate）として勤務することになる。なお、1961年7月、職位がResearch AssociateからAssistant Physicistとなった。1963年7月には助教授（Associate Physicist）、1966年7月には教授（Physicist）に昇任した。1968年7月には、ブルックヘブン国立研究所のスペクトロメーターグループにて、研究主任（Leader）に就任した。1972年7月には、ブルックヘブン国立研究所の専任教授（Senior Physicist）に就任した。なお、同年には、ブルックヘブン国立研究所の終身在職権を得ている。その後、日本の文部省の機関である高エネルギー物理学研究所から要請され、日本初の大型高エネルギー衝突型加速器「TRISTAN」の建設に携わることとなった。1981年1月より、高エネルギー物理学研究所の物理研究系にて、教授を務めることとなった。同時に、物理研究系の研究主幹にも就任した。翌年4月、高エネルギー物理学研究所のトリスタン計画推進部にて、衝突ビーム測定器研究系の研究主幹に就任した。1983年4月には、高エネルギー物理学研究所のトリスタン計画推進部にて研究総主幹に就任し、「TRISTAN」建設の指揮を執った。「TRISTAN」は1986年に完成し、世界一のエネルギーを誇る加速器となった。1987年5月からは、高エネルギー物理学研究所の加速器研究部にて、研究総主幹に就任した。その後、アメリカ合衆国の相対論的重イオン衝突型加速器「RHIC」の建設を指揮するため、再びブルックヘブン国立研究所に戻ることになった。1989年、ブルックヘブン国立研究所の重イオン加速器計画の責任者（Director）として着任した。その翌年、日本でのこれまでの功績を讃えるため、高エネルギー物理学研究所から名誉教授の称号が贈られている。なお、高エネルギー物理学研究所は、のちに東京大学原子核研究所や東京大学中間子科学研究センターと統合され、新たに高エネルギー加速器研究機構が設立されたが、名誉教授としての称号は引き続き維持されている。RHICは1999年に完成した。2005年、ブルックヘブン国立研究所にて、NSLS-II計画加速器システム部の部長（Director）に就任し、新たな加速器「NSLS-II」の建設を推進した。2007年からは、NSLS-II計画の上席プロジェクト顧問（Senior Project Advisor）となった。2010年からは、ブルックヘブン国立研究所にて、所長上席顧問（Senior Advisor）に就任した。2012年12月をもって、ブルックヘブン国立研究所を退職した。なお、翌年1月には、ブルックヘブン国立研究所より名誉専任教授（Senior Scientist Emeritus）の称号が贈られた。