W ten sposób uważnie odszukiwał zasypane i zarośnięte zejścia do podziemi, w których wąskie galerie łączyły się w długie labirynty.
Wraz z Pompeo Ugonim Bosio odkrył 10 grudnia 1593 Katakumby Domitylli. Odkrywcy omal nie przypłacili odkrycia życiem. W następnych latach, prowadząc poszukiwania wzdłuż dróg konsularnych wychodzących z miasta, archeolog znalazł i zidentyfikował około 30 zespołów katakumbowych. Współpracowali z nim rysownicy, którzy archiwizowali odnalezione freski i sarkofagi. Ogromna część zgromadzonego przez Bosio materiału została opublikowana trzy lata po jego śmierci w dziele zatytułowanym Roma sotterranea (Rzym podziemny). Archeolog zmarł w Rzymie 6 września 1629. Giovanni Battista de Rossi, ojciec nowożytenej archeologii chrześcijańskiej, nazwał Bosio Krzysztofem Kolumbem podziemnego Rzymu. Część sarkofagów odnalezionych przez Antonio Bosio znajduje się w zbiorach Muzeów Watykańskich.