在这期间，蒙台梭利接触到精神病院（当时的医院将精神病患者与智障者同置一处）里的智障儿童，在与他们的相处中，她开始研究智障儿童的医疗与教育问题，并阅读当时塞根关于特殊教育的著作与伊塔对这方面的研究报告。
在精神病诊所的这两年工作中，她察觉到：“儿童除了食物之外，还会在屋子里面到处乱抓、乱摸，找寻可让两手操作的东西，以练习他们的抓握能力。”这种认识奠定了她教育理论中，“发展智力需要透过双手操作”的基本理论。并且由这两年的体验，她到了对低能儿童教育的看法：“要克服智能不足，主要还得靠教育的手段；不能只用医药去治疗。”一改传统尽以药物治疗低能儿的偏执做法。由于她的发现和这两年创下的绩效，有机会把想法作更好的验证。
由于她的发现与研究成果，两年后她被聘为国立特殊儿童学校指导，更增强了其研究儿童教育的决心。
自1898年就任以后，蒙台梭利把自己根据塞根的书籍和伊塔的实验所研究出的方法，实际应用到这些孩子身上；同时也为她学校的教师们，预备了一套对低能儿童的“特殊观察法”（来了解各个儿童的需要），以及教育法（去帮助儿童智能的进步）。
不仅如此，她更针对这些儿童们的问题，用心研制了各式各样的教育工具，帮助他们手脑并用增进智能，每天从上午8点到下午7点她亲自和儿童相处，观察他们，了解他们，并做笔记分析和比较，不断研究出更好的办法。
结果，两年以来，孩子们学会了许多她认为不可能的事，他们不但会读会写，而且通过了当时罗马地区为正常儿童们举行的公共考试。而且，正常儿童在公共考试所表现的成绩，并不比智障儿童优异，这说明绝大多数正常儿童的智力没有得到充分的发展。
她因此深思到“相同的方法如果应用在正常儿童身上，必能将他们的灵魂从僵硬的传统教学中解放出来，并使他们在心智成长上，一定会有更令人惊喜的表现。
于是，蒙台梭利博士开始研究正常儿童的教育问题。她发现并肯定大多数正常儿童的心智不是被压抑，就是被错误地教育，或是启蒙教育开始得太晚，导致了偏差的行为。一种帮助儿童正常化的使命感油然而生。她认为这是不能忽略的大事，这是人们应该去寻找答案，要努力解决才能安心的大问题。因为，她觉得，人类未来的幸福，世界和平的希望，是寄望在大多数的正常儿童身上，于是她毅然地接受了新的挑战。