Hijo del médico Ignacio Graells y Ferrer, quien dirigió el balneario de Caldas de Montbuy desde 1817 hasta su muerte, influencia que marcó la formación y vida profesional de Mariano. Estudió Medicina y Cirugía, además de Ciencias en la Universidad de Barcelona, donde fue auxiliar de Física y Química, y luego profesor en la Real Academia Catalana.
Ejerció como médico en Barcelona, destacando en la epidemia de cólera de 1835. También mostró interés en botánica y zoología, publicando un Calendario de Flora sobre la flora de Barcelona. En 1837 fue nombrado catedrático del Museo de Ciencias Naturales de Madrid y director del Jardín Botánico. Ocupó la cátedra de Anatomía y Fisiología Comparada en la Universidad Central de Madrid en 1843, y fue fundador de la Société Entomologique de France.
Recorrió el centro peninsular estudiando flora, fauna y entomología para elaborar un catálogo de la fauna española. Como director del Jardín Botánico, impulsó la aclimatación de plantas tropicales y realizó reformas importantes como el invernadero que lleva su nombre. Promovió la creación de un Jardín Zoológico en 1867, aunque esto provocó su distanciamiento de Miguel Colmeiro.
En 1848 descubrió la mariposa Saturnia Isabellae en la sierra de Guadarrama, dedicada a la reina Isabel II, quien lució un ejemplar en un baile de Palacio. En 1849 fue designado presidente de la sección de fauna de la Comisión del Mapa Geológico de España, pero en 1858 perdió el cargo por reformas en la comisión.
Su obra más importante, Fauna Mastodológica Ibérica, tardó 46 años en publicarse. Además, impulsó la creación de la cátedra de Geología y Paleontología en 1853, ocupada por Juan Vilanova y Piera. En 1878 asistió a la Conferencia de Berna como parte del Consejo de Agricultura para tratar la plaga de filoxera que devastaba viñedos europeos.
Graells también introdujo la piscicultura y ostreicultura en España. A lo largo de su carrera ocupó cargos científicos y políticos, fue académico fundador de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, y senador entre 1886 y 1891. Recibió condecoraciones como comendador de la Orden de Carlos III y la Orden del Cristo en Portugal.
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