I 1874 traff han den ti år eldre Anna Horst i Cannes og forelsket seg heftig i henne, men giftet seg først med henne i 1878 etter sin fars død. Etter bryllupsreisen bosatte ekteparet seg i Genève, der Chamberlain tok fatt på naturvitenskapelige studier ved byens universitet. I 1881 tok han -eksamen og begynte straks på sitt doktorarbeid om planters rottrykk. Men et alvorlig nervesammenbrudd høsten 1884 førte til mange års avbrudd i hans naturvitenskapelige forskningsarbeider. Tynget av dårlig helse og vanskelig økonomi etter uheldige børstransaksjoner ble han igjen avhengig av familien. Utstyrt med en ny livrente flyttet han og Anna Horst til Dresden, der det både var billigere å bo enn i Sveits, samtidig som det fantes et rikt kulturelt miljø innenfor teater og musikk.