Rappuoli obtuvo su doctorado y licenciatura en ciencias biológicas en la Universidad de Siena.

Cofundó el campo de la microbiología celular, una disciplina que combina la biología celular y la microbiología, y fue pionero en el enfoque genómico para el desarrollo de vacunas conocido como vacunología inversa.

Los principales logros incluyen el desarrollo de CRM197 utilizado en Haemophilus influenzae, Neisseria meningitidis, y vacunas contra el neumococo; una vacuna contra la tos ferina acelular que contiene una toxina pertussis genéticamente desintoxicada; las primeras vacunas conjugadas contra el meningococo; MF59 adyuvante para la influenza; la vacuna derivada del genoma del meningococo B.

Durante su carrera, introdujo varios conceptos científicos novedosos: desintoxicación genética en 1987; microbiología celular en 1996; vacunología inversa en 2000; pangenoma en 2005.

En 2013 fue nominado como la tercera persona más influyente a nivel mundial en el campo de las vacunas por Terrapin.