Le sue ricerche riguardarono la topografia di Roma antica e cominciò a lavorare sul Campo Marzio meridionale e sulla zona del Circo Flaminio, con grande attenzione alle trasformazioni urbane di epoca medievale. In quest'ambito, già a partire dal 1918 aveva individuato l'importanza dei resti conservati al di sotto degli edifici della zona cosiddetta "Argentina" (oggi area sacra di Largo Argentina): nel 1926 fu incaricato della sorveglianza archeologica degli scavi in corrispondenza dell'isolato che doveva essere demolito. Gli scavi durarono fino al 1942 e Marchetti Longhi proseguì anche negli anni successivi a pubblicare studi e ricerche sull'argomento.
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