Macchiarini har arbeidet med avansert luftveiskirurgi og transplantasjoner med kunstige organer og han har fått internasjonal oppmerksomhet for å ha gjennomført luftrørstransplantasjoner fra avdøde donorer. Han ble rekruttert i 2010 til Karolinska Institutet for å utvikle laboratorieproduserte organer. I 2011 gjennomførte han verdens første transplantasjon av et kunstig luftrør på en pasient i Huddinge. Operasjonen ble betraktet som et medisinsk gjennombrudd.