Η γνωριμία του με το μεσαιωνολόγο Ανδρέα Μουστοξύδη τον ώθησε στη μελέτη μεσαιωνικών και γλωσσολογικών χειρογράφων στις μεγαλύτερες βιβλιοθήκες της Ευρώπης και της Τουρκίας. Αποτέλεσμα του ενδιαφέροντός του για την μεσαιωνική ιστορία ήταν και το μεγάλο έργο του «Βυζαντιναί Μελέται», που έγραψε αργότερα.
Επέστρεψε στην Ελλάδα το 1845 και έμεινε στην Κέρκυρα, όπου δημοσίευσε ανώνυμα το ποίημα «Η ύστερη νυχτιά του καταδίκου» (1845).
Στη συνέχεια έφυγε ξανά για την Ευρώπη για νέες μελέτες και επέστρεψε το 1856, λόγω του θανάτου του πατέρα του. Τα χρόνια εκείνα άρχισε και το συγγραφικό του έργο που κάλυπτε κυρίως ιστορικά θέματα, με υλικό που είχε συγκεντρώσει από τα ταξίδια του στην Ευρώπη και στην Τουρκία. Το 1852 δημοσίευσε έκδοση ελληνικών δημοτικών τραγουδιών «Άσματα Δημοτικά της Ελλάδος». Ως εκδότης όμως των δημοτικών τραγουδιών επικρίθηκε για τις αυθείρετες επεμβάσεις του στα κείμενα, ενώ κρίθηκε ως μέτρια και η επίδοσή του στη λογοτεχνία.
Το 1857 εγκαταστάθηκε στην Αθήνα με τη σύζυγό του Λουκία και δημοσίευσε την ιστορική μελέτη «Αι βυζαντιναί μελέται» («Περί πηγών Νεοελληνικής Εθνότητος από Η΄ άχρι Ι΄ εκατονταετηρίδος μ.Χ.»), το κυριότερο ιστορικό-φιλολογικό του έργο. Στην εκτενή εισαγωγή διατύπωσε την άποψη για την ιστορική και γλωσσική ενότητα του ελληνικού έθνους από την εποχή του Ομήρου μέχρι τη σύγχρονη εποχή, με συνδετικό κρίκο το Βυζάντιο και εισηγήθηκε την τριμερή διαίρεση της ελληνικής ιστορίας σε αρχαία, μεσαιωνική και νέα.
Το 1859 δημοσίευσε το φυλλάδιο «Καθίδρυσις Πατριαρχείου εν Ρωσία». Στην περίοδο 1859-1860 τοποθετείται και η σημαντική για την ιστορία της νεοελληνικής κριτικής διαμάχη Ζαμπελίου - Πολυλά. Ο Ζαμπέλιος ασχολήθηκε και με τη λογοτεχνία, σε επίπεδο κριτικής, και δημοσίευσε το φυλλάδιο «Πόθεν η κοινή λέξις τραγουδώ;» και «Σκέψεις περί ελληνικής ποιήσεως», με αφορμή την έκδοση των «Ευρισκομένων» του Σολωμού από τον Πολυλά, υποστηρίζοντας τον ελεγειακό χαρακτήρα των έργων της ώριμης περιόδου του Σολωμού. Η άποψή του ανασκευάστηκε από τον Πολυλά στο φυλλάδιο «Πόθεν η μυστικοφοβία του κ. Σ. Ζαμπελίου» (Κέρκυρα 1860).
Με αφορμή τις ιστορικές περιπέτειες της Κρήτης έγραψε τα ιστορικά μυθιστορηματικά έργα «Ιστορικά σκηνογραφήματα» (1860) και «Οι Κρητικοί γάμοι» (1871), με υποθέσεις από την ιστορία της Ενετοκρατίας στο νησί. Το 1864 δημοσίευσε στην Αθήνα τη γλωσσολογική μελέτη «Ιταλοελληνικά». Δημοσίευσε επίσης το ιταλόφωνο μυθιστόρημα «Αναμνήσεις μοναχής». Προς το τέλος της ζωής του ξεκίνησε να γράφει ένα ετυμολογικό ελληνικό λεξικό, του οποίου το πρώτο μέρος εκδόθηκε στο Παρίσι το 1879 με τίτλο «Parlers grecs et romains». Εντάχθηκε στην πολιτική παράταξη των Μεταρρυθμιστών και στις εκλογές του 1850 υπέβαλε υποψηφιότητα και εκλέχτηκε βουλευτής Λευκάδας με το κόμμα των Μεταρρυθμιστών στη Θ΄ Βουλή των Επτανήσων. Υπήρξε συνεργάτης της κερκυραϊκής πολιτικής εφημερίδας «Πατρίς του Βραΐλα» και της εφημερίδας του Μουστοξύδη «Το μέλλον».
Αποσύρθηκε από την πολιτική, ταξίδεψε στην Αθήνα και προς το τέλος της ζωής του (1870) εγκαταστάθηκε σε μια επαρχιακή έπαυλη στο Λιβόρνο για δέκα χρόνια. Πέθανε κατά τη διάρκεια ενός ταξιδιού του στο Zug της Ελβετίας το 1881.
Τα κυριότερα έργα του
. Άσματα Δημοτικά της Ελλάδος [Εκδοθέντα μετά μελέτης ιστορικής περί Μεσαιωνικού Ελληνισμού (1852)]
. Βυζαντιναί Μελέται [Περί πηγών Νεοελληνικής Εθνότητος από Η΄ άχρι Ι΄ εκατονταετηρίδος μ.Χ. (1857)]
. Πόθεν η κοινή λέξις τραγουδώ; [Σκέψεις περί ελληνικής ποιήσεως (1859)]
. Ιστορικά Σκηνογραφήματα (1860)
. Ιταλλοελληνικά [κριτική πραγματεία περί των εν τοις αρχείοις Νεαπόλεως ανεκδότων ελλληνικών περγαμηνών (1864)]
. Οι Κρητικοί Γάμοι [Ανέκδοτον επεισόδιον της Κρητικής Ιστορίας επί Βενετών (1570) (1871)]
. Parlers Grecs et Romans, leur point de contact préhistorique (1880)
. Ζαμπελίου και Κριτοβουλίδου, Ιστορία των Επαναστάσεων της Κρήτης [συμπληρωθείσα υπό Ιωάννου Δ. Κονδυλάκη (1897]