Recuerda Turnes que trató entonces de hacer valer sus estudios hechos en Europa con el fin de ganar el bachillerato e ingresar en la Universidad de La Habana para estudiar Medicina. No le fue posible por lo que tuvo que pasar a Filadelfía donde no se exigía, para cursar los estudios médicos, grado alguno de facultad menor. Cursó, en Filadelfía, la carrera de medicina, doctorándose el 10 de marzo de 1855, en el Jefferson Medical College. Entre los profesores de aquella facultad, el que parece haber dejado más honda impresión en la mente del joven Finlay fue John Kearsly Mitchell, el primero, tal vez en enunciar y mantener de una manera sistemática, la teoría microbiológica de las enfermedades.
En 1857 Finlay revalidó su título en la Universidad de la Habana.
Turnes señala que en la familia de los Finlay dominaba un espíritu de aventuras. Su padre ejerció la medicina en diversos lugares y países, y uno de sus tíos combatió por las libertades americanas en los ejércitos de Bolívar.
Recién graduado, en 1856, pasó Carlos J. Finlay a Lima, con su padre, y después de probar fortuna durante algunos meses, volvió a La Habana. De nuevo repitió la tentativa en el año siguiente con el mismo resultado. En 1860-61 estuvo en París, frecuentando las clínicas de los hospitales y dedicándose a estudios complementarios. En 1864, intentó establecerse en Matanzas, experimento que duró también pocos meses. Dondequiera que iba, se dedicaba al ejercicio de la medicina en general, especializando algo en la oftalmología.
Finlay se casó en La Habana, el 16 de octubre de 1865, con Adela Shine, natural de la Isla de Trinidad.
Además de los viajes ya mencionados, Finlay salió de Cuba en junio de 1869, para visitar con su esposa el lugar del nacimiento de esta, la Isla de Trinidad, y retornó a la Habana en diciembre del mismo año. Pasó también los últimos meses del año de 1875 en Nueva York por la salud de su esposa.
En 1881, fue a Washington como representante de gobierno colonial ante la Conferencia Sanitaria Internacional allí reunida y escogió aquella ocasión para enunciar por primera vez su teoría de la transmisión de la fiebre amarilla por un agente intermediario.
Al estallar la guerra hispanoamericana, Finlay, que tenía entonces 65 años, pasó a Estados Unidos a ofrecer sus servicios al gobierno estadounidense; su amigo el Dr. Sternberg, jefe entonces de la sanidad militar, tuvo este que enviarlo a Santiago de Cuba, donde hizo vida de campaña con las tropas sitiadoras.
Al volver a La Habana en 1898, Finlay se dirigió a los oficiales de la sanidad militar americana, el gobierno y la prensa médica de Estados Unidos proponiendo su nuevo plan de campaña contra la fiebre amarilla, el mismo que, aceptado más tarde, permitió erradicar ese mal en Cuba.
Señalan sus biógrafos que es un hecho incontrovertible que Finlay fue el primero en establecer la experimentación directa para probar sus ideas sobre el papel que desempeña el mosquito en la transmisión de la fiebre amarilla. Su método consistía en alimentar al mosquito con sangre de casos de fiebre amarilla antes del sexto día de la enfermedad y aplicarlos después, con un intervalo de 48 horas a cuatro o cinco días, a personas susceptibles. Su idea era producir una infección ligera con el objeto de obtener la inmunidad.
Para sus experimentos Finlay escogió al mosquito Stegomyia fasciata, que él llamaba Culex. La escogió por ser el mosquito de las ciudades. Igual acogida tuvo la comisión de médicos de ejército americano a la cual entregó él mismo los mosquitos con que comenzaron las experiencias que habían de confirmar definitivamente la doctrina que venía sosteniendo.
En 1902, al terminar la primera intervención estadounidense en Cuba, el gobierno nombró a Finlay jefe de Sanidad de la República y presidente de la Junta Superior de Sanidad.
Por otra parte, Finlay aportó a la solución del problema del tétanos infantil. En 1903 sugirió examinar el pabilo que el pueblo usaba para la ligadura del cordón umbilical. La investigación dio por resultado que, efectivamente, esta cuerda suelta de algodón era un nido particularmente rico en bacilos del tétanos. En aquel mismo año sugirió la preparación de una cura aséptica para el ombligo. La mortalidad por el tétanos bajó de 1.313 en 1902 a 576 en 1910.
En 1907 es designado por el gobierno cubano como representante al Congreso de Higiene y Demografía de Berlín.
Además fue quien descubrió la existencia en Cuba de enfermedades como el bocio exoftálmico, la filariasis y la triquinosis. Se adelantó en la afirmación del origen hídrico del cólera y su observación sobre el tétanos infantil posibilitó hacer descender la mortalidad por dicha causa.
