Кольцов уехал сначала в Кильский университет (Германия) к Вальтеру Флеммингу (1843–1905), который был признанным основателем совсем уж нового направления — цитогенетики. В 1879 году Флемминг первым описал поведение хромосом при делении клеток (именно он назвал процесс митозом). Термин "хромосома" еще не был введен, и Флемминг описывал "поведение при делении клеток длинных тонких структур, окрашиваемых недавно открытым красителем — анилином". Кольцов ехал к нему с хорошо продуманным планом исследования: он намеревался использовать амфибии как экспериментальный объект и изучать на нем поведение хромосом при возникновении зародышевых клеток. Была и потаенная мысль, с которой Кольцов позже расстался, — он намеревался создать такие условия для развития оплодотворенных яйцеклеток амфибий, при которых можно было бы менять пол в процессе повзросления зародышей. Он думал, что в момент возникновения зародышей пол еще не дифференцирован, затем под влиянием внешних условий зародыши становятся или мужскими или женскими, и в этот-то момент и можно будет научиться регулировать пол живых организмов. Кольцов не мог знать, что пол раз и навсегда определяется при возникновении зародыша сочетанием половых хромосом, которые были открыты только десятью годами позже американцем Томасом Хантом Морганом.
Закончив работу в лаборатории Флемминга, Кольцов из Киля перебрался в Неаполь, на зоологическую станцию. Там он стал работать над другой темой — исследовать начальные этапы развития организмов, стараясь понять, как происходит закладка тканей будущей головы животных. Завершать обработку этих материалов он отправился во Францию — в Росков и на Виллафранкскую станцию.
В конце концов он подготовил большую работу, напечатанную на двух языках. Особенно полезной оказалась работа на Виллафранкской зоологической станции. В бухте Виль Франш на средиземноморском побережье Франции около Ниццы с 1884 года существовала Русская зоологическая станция, названная "Виллафранка". В год, когда там начал работать Кольцов, эта станция уже завоевала прочную международную репутацию, туда приезжали ученые из всех стран, в том числе и из-за океана, и вполне естественно получилось, что Кольцов не только успешно работал, но и подружился навсегда с молодыми учеными, ставшими вскоре лидерами биологии, признанными во всем мире, такими как Ив Делаж, К. Гербст, Ганс Дриш, Рихард Гольдшмидт, Макс Гартман, американец Эдмунд Вильсон, уже тогда известный своей книгой о роли клеточных структур в наследственности, а позже ставший признанным классиком в этой области. Вильсон, спустя несколько лет, пригласил к себе работать Томаса Моргана, Морган взял на работу в эту лабораторию Мёллера, Стёртеванта и Бриджеса, усилиями этой "могучей четверки" за считанные годы была разработана хромосомная теория наследственности, и так получилось, что уже в свои постаспирантские годы Кольцов оказался связанным с Вильсоном, провел много времени в беседах с ним, и неудивительно, что позже это помогло ему создать самобытную школу генетиков в России.
Затем он переехал в Мюнхен, где пришлось основные эксперименты проводить на снимаемой им квартире. Он сумел раздобыть микроскоп и микротом, позволявший делать срезы с биологического материала, пригодные для рассматривания в микроскоп. Кольцов был великолепным рисовальщиком, до сих пор его тончайшие рисунки наблюдавшихся в микроскоп картин поражают своей точностью. Даже в пору, когда микрофотографическая техника достигла совершенства, его рисунки конкурировали с микрофотографиями по обилию и точности деталей, по ясности отражения процессов, запечатлеваемых глазом или фотокамерой.
В конце 1899 года Кольцов вернулся в Москву, с 1900 года в качестве приват-доцента Московского университета начал читать первый в России курс цитологии, в 1901 году защитил магистерскую диссертацию и с 1 января 1902 года снова уехал на два года работать на Запад, сначала в Германию, а потом в Неаполь и Вилль Франш.
В Германию Кольцов привез свои препараты срезов индивидуальных клеток, стал показывать их местным светилам.
"Месяца два я работал в лаборатории Оскара Бючли в Гейдельберге, — вспоминал Кольцов в 1936 году в книге "Организация клетки". — Этот умный и очень интересный биолог подолгу просиживал над моим микроскопом, стараясь на разрезах во всех частях моих огромных клеток найти ячеистые структуры. Но теория ячеистой структуры Бючли меня давно не удовлетворяла. Мне казалось, что, чрезвычайно упрощая все огромное разнообразие протоплазматических структур, эта теория ничего не объясняет. Я…не хотел идти по его указке. В Киле я показывал свои препараты своему другу Ф. Мевесу (В. Флемминг уже скончался), он тоже восхищался их красотой, советовал описать их. Но я вовсе не хотел только описывать, хотел понять их организацию…
До этого времени [клетки] описывали главным образом мертвыми, на препаратах. Я… решил главное внимание обратить на эксперименты с живыми [клетками]…
