בשנת 1857 עבר להתגורר בפריז, שם החל לחקור כתבי יד, בעיקר כתבי יד עבריים, בספרייה הלאומית של צרפת. בתקופה זאת נתוודע לחוקרים ומזרחנים ידועי שם, ביניהם שלמה מונק, יוסף דרנבורג (Joseph Derenbourg) וארנסט רנן, ומאז עמד עמם בקשרי עבודה וידידות. נראה כי סביבת עבודה זו היא שהובילה אותו לחקור, לתעד ולהוציא לאור כתבי יד עבריים ויהודיים מימי הביניים, נושא לו יקדיש את מרבית חייו המקצועיים. במאי 1859 הגיע לירושלים, ושירת כמזכיר בקונסוליה האוסטרו-הונגרית. מטרת הגעתו לירושלים הייתה מדעית, ובין היתר, עסק שם בחיפוש כתבי יד וספרים עתיקים. בזמן שהותו בירושלים פרסם מכתב, בשבועון "Allgemeine Zeitung des Judentums" ("עיתונה הכללי של היהדות"), בעריכת לודוויג פיליפסון, בגינו הסתכסך עם ראשי היישוב הישן בירושלים. במכתב כלל נויבאואר ביקורת כנגד פעילותו ושליחותו של עזריאל זליג הויזדורף, מראשי היישוב הישן בירושלים והעסקן הראשי עבור בתי המחסה בעיר, ויצא נגד מפעל בתי המחסה. בתחילת שנות השישים חזר לפריז והמשיך במחקריו על כתבי יד עבריים. בשנת 1864, היה בסנקט פטרבורג, על מנת לבחון כתבי יד קראים באוסף פירקוביץ' בספרייה הלאומית הרוסית.
אנגליה.
בשנת 1865 עבר להתגורר באנגליה, אך המשיך בקשרים עם פריז. בתקופה זו ערך את מסעו הראשון לספריות של ספרד ופורטוגל, כדי לאסוף חומר לכתיבת חיבוריו על רבני צרפת וסופריה במאה ה-14. בשנת 1868, הוא פרסם בפריז את ספרו "הגאוגרפיה של התלמוד", וקיבל בגינו את פרס האקדמיה הצרפתית למדעים. באותה שנה (1868), החל נויבאואר לעבוד בספריית בודליאנה של אוניברסיטת אוקספורד, בשכר שנתי של £200, והיה לאחד מהיהודים הראשונים שהתקבלו לעבוד במוסד זה. בין היתר כללה משרתו קיטלוג כל כתבי היד העבריים שבספרייה. תפקיד נוסף בספרייה כלל איתור ורכישת כתבי יד עבריים עבורה, במסגרתו הצליח להעשיר את אוסף הספרייה בעשרות כתבי יד עבריים יקרי ערך ויקרי המציאות. נויבאואר היה גם מהראשונים להכיר בחשיבותה של הגניזה הקהירית, ובין האישים שבזכותם רכשה הספרייה 2,675 תעודות מן הגניזה.
בשנת 1873, לאחר שהוסרו כל המגבלות החוקיות כנגד חברוּת מלאה של יהודים באוניברסיטת אוקספורד, הוא מוּנה כמשנה לספרן הראשי של הספרייה הבודליאנית וכן הוענק לו תואר MA של אוניברסיטת אוקספורד. עם זאת, נדחתה מועמדתו למשרת הספרן הראשי של הספרייה, בשנת 1882, ככל הנראה משום דרישות התפקיד, לפיהן יכול אזרח אנגלי בלבד לעמוד בראש מוסד אנגלי גדול. בהמשך, ובזכות פעילותו בספרייה, הוקמה באוניברסיטת אוקספורד, בשנת 1884, קתדרה לספרות רבנית, והוא מוּנה בה לפרופסור. בשנת 1890 הוענק לו תואר Honorary Fellow מטעם מכללת אקסטר (Exeter College), אחת מהמכללות המרכיבות את אוניברסיטת אוקספורד. בשנת 1891 קיבל תואר דוקטור של כבוד מאוניברסיטת היידלברג הגרמנית. באותה שנה הוענק לו גם תואר חבר של כבוד ב- Real Academia de la Historia, שבמדריד, וכן תואר correspondence member של האקדמיה הצרפתית למדעים.
משנת 1890 החל לסבול מבעיות בראייה, שהלכו והחמירו עם השנים, ולבסוף בשנת 1899 פרש בגינן מעבודתו בספרייה. במאי 1900 נאלץ לפרוש גם מהוראה. בשל אובדן כושר הראייה ובעיות רפואיות נוספות, עבר בשנת 1901 לווינה, כדי להתגורר עם אחיינו אברהם ביכלר ולהיות תחת השגחתו. הוא שב ללונדון (יחד עם ביכלר), לאחר שבקיץ 1906 מוּנה ביכלר לתפקיד עוזר ראשי למנהל ה-Jew's College. הוא נפטר רווק, שנה אחר כך, בשנת 1907, ונקבר בבית הקברות ווילסדן (Willesden cemetery).
מבחינת מפעלו והחותם שהותיר כביבליוגרף, נחשב נויבאואר "שני רק למשה שטיינשניידר". אוניברסיטת אוקספורד וספריית בודליאנה הכירו בתרומתו החשובה של נויבאואר לאוספים של הספרייה, ועדות לכך ניתן למצוא בספר שיצא לאור על ההיסטוריה של הספרייה. כמו כן, לאחר מותו, הוצב פורטרט שלו, מעשה ידיו של הצייר הבריטי הנודע, ליאונרד קמפבל - טיילור, בספרייה הבודליאנית, ובשנת 1931, צוין באוקספורד יום מלאות מאה שנה להולדתו.
ארכיון על שמו של נויבאואר, הכולל מכתבים, תכתובות בין נויבאואר ואחרים, מסמכים אישיים שלו, קטעי עיתונות עליו ומידע נוסף, נמצא בספריה הלאומית.
מחקריו.
בן 15 שנה היה כאשר החלו להתפרסם מאמריו הראשונים בעיתונות הגרמנית - יהודית. מאז כתב כעשרים ספרים וכשלוש מאות מאמרים שהתפרסמו בכל כתבי העת הידועים בתקופתו (כתבי עת יהודיים ולא יהודיים). מאמריו עסקו בנושאים שונים, בין היתר, מקרא והספרים החיצוניים (ספר טוביה, בן סירא), קראים, שומרונים, תולדות עם ישראל (תקופת בית שני, גורל עשרת השבטים, מסעי הצלב ועוד), גאוגרפיה של ארץ ישראל, דקדוק עברי, שירה עברית, ובעיקר עסק בתיעוד, קיטלוג והוצאה לאור של כתבי יד עבריים. בנוסף, חיבר מעל למאה מאמרי ביקורת על ספרים שונים.
חיבוריו רוכזו ברשימת ביבליוגרפית שחיבר אלקן נתן אדלר, בשנת 1929. הרשימה עודכנה על ידי בועז כהן (שהוסיף 109 ערכים נוספים), בשנת 1933, ועודכנה שוב (בעיקר בקשר לפרסומיו המוקדמים) על ידי גצל קרסל, בשנת 1981.
מבין עשרות חיבוריו, בולטים במיוחד מספר חיבורים, בגינם זכה לפרסום רב, שיפורטו להלן, לפי שנת פרסומם:
הגאוגרפיה של התלמוד.
בשנת 1859 נסע לארץ ישראל, ובמקביל לעבודתו כמזכיר בשגרירות האוסטרו-הונגרית, סייר בה, בפרט במקומות המוזכרים בתלמוד ובכתבי חז"ל. את רשמיו ותוצאות מחקריו בנושא סיכם בספר "La géographie du Talmud" ("הגאוגרפיה של התלמוד"). עם צאתו לאור, בשנת 1868, זכה הספר לביקורות חיוביות, זיכה את נויבאואר בפרס האקדמיה הצרפתית למדעים, "והעמיד אותו בשורה הראשונה בין חוקרי הספרות הרבנית".
אלא שבשנת 1870, פרסם החוקר י. מורגנשטרן בברלין, את הספר: "Die französische Academie und die Geographie des Talmuds" ("האקדמיה הצרפתית ו'הגאוגרפיה של התלמוד'") ועורר סערה רבה. בספר טען מורגנשטרן כנגד נויבאואר כי הוא איננו בקי במקורות ובדברי חז"ל ולפיכך שגה במקומות רבים בספרו. בנוסף, תקף מורגנשטרן את האקדמיה הצרפתית על שהעניקה את הפרס לספר שכזה. נויבאואר פרסם שתי תגובות לטענותיו של מורגנשטרן, בכתב העת Athenaeum (מיום 8 במאי 1870) ובכתב העת Allgemeine Zeitung des Judentums (שנה 34, גיליון 21, מיום 24 במאי 1870), שבהן מצד אחד תקף את מורגנשטרן באופן אישי, ומצד שני הודה במספר טעויות, שעליהן הצביע מורגנשטרן. מורגנשטרן השיב לתגובה הראשונה, באותו כתב עת (Athenaeum; מיום 4 ביוני 1870), וכן פרסם תשובה מפורטת יותר במהדורה השנייה של ספרו, שיצא לאור באותה שנה. בתגובתו מצביע מורגנשטרן על השגיאות הרבות בספרו של נויבאואר וכן מאשימו כי העתיק מדברי אחרים (בין היתר, מהספר "ערך מלין" של שי"ר, מספריו של יהוסף שוורץ, בעיקר "תבואות הארץ", וכן מהספר "ארץ קדומים" של יעקב קפלן). לא ידוע אם נויבאואר הגיב לתשובה המפורטת של מורגנשטרן.
כתבי היד של הקראים.
פרסום ראשון של כתב יד קראי על ידי נויבאואר היה לאחר שהותו בארץ ישראל. בעת שביקר בבית כנסת קראי בירושלים, הוא איתר כתב יד מהמאה ה-15, המכיל קטעים מספר דקדוקי שחיבר המדקדק והבלשן הקראי דוד בן אברהם אלפאסי. נויבאואר הוציא לאור את הקטעים, והוסיף להם תרגום, בכתב העת Journal Asiatique (בגיליונות 18 - 20, שיצאו לאור בשנים 1861–1862).
לאחר שחזר לפריז, הוזמן נויבאואר (בשנת 1864), לספרייה הלאומית הרוסית בסנט פטרבורג, כדי לחקור את כתבי היד הקראיים שבאוסף פירקוביץ'. במהלך ביקורו, פרסם בגרמנית, בשנת 1864, את המאמר "האוסף של פירקוביץ'" (Die Firkowitz’sche Sammlung). לאחר ששב מביקורו, פרסם דו"ח מקיף בצרפתית, בשנת 1865, על פעילותו בספרייה.
שנה לאחר מכן, בשנת 1866, פרסם ספר בגרמנית ובעברית, הכולל חמישה פרקים. הפרקים כוללים תיאור של תולדות הקראות בתחילת דרכה (פרק ראשון), ואת קורותיה בחצי האי קרים (פרק שני), תחת השלטון האימפריה הביזנטית (פרק שלישי), וכן בפולין (פרק רביעי). הפרק החמישי דן בהבדל בין הקראים לרבנים בפרשנות כתבי הקודש (בין היתר על פי חיבורו של מרדכי בן ניסן הקראי, שאת חיבורו מביא נויבאואר בהמשך הספר). חמשת הפרקים מפנים לפרק הערות, הכולל קטעים רבים מתוך כתבי יד המתעדים את ההיסטוריה והספרות של הקראים. בסוף הספר, כלל נויבאואר שני חיבורים גדולים: החיבור של הקראי ידידיה שלמה בן אהרן מטרוקי, אפריון עשה לו (המלך שלמה מעצת השם היא תקום, עמודיו עשה כסף נבחר לשון צדיק בהודעת סבת חלוקת הקראים מהרבנים... בבארו כי יסוד דת הקראות על שלושה עמודים...); והחיבור של מרדכי בן ניסן הקראי, ספר לבוש מלכות (רצון מלכים שפתי צדק, ודובב ישרים יאהב, האדון המעולה... הגביר... קארול המלך מלך שווע"צייה... שאל את עבדיו הקראים שבעיר לוצקא, לדעת אודותם, מאיזו אומה הם ומה אמונתם, ומה ההפרש בין התלמודיים וביניהם...קמתי... לכתוב... ולהודיע הכל... אלו הדברים).
בשנת 1887 פרסם מאמר נוסף, באנגלית, על כתבי היד העבריים - ערביים, שבספריית סנט פטרבורג.
תולדות הספרות הצרפתית.
נויבאואר פרסם יחד עם ארנסט רנן שני כרכים מתוך סדרת הספרים "תולדות הספרות הצרפתית", והם נחשבים ל"שתי עבודות מרשימות של יצירות ספרותיות".
הכרך הראשון, משנת 1877, הוא חיבור על רבני צרפת בתחילת המאה ה-14, והכרך השני, משנת 1893, הוא חיבור על הסופרים היהודים הצרפתיים מהמאה ה-14 וכתביהם. הכרכים נכתבו יחד עם רנן, שהיה העורך הראשי של הסדרה, אולם את החומר לשני הכרכים ליקט נויבאואר בלבד, והוא כלל בו פרסומים בדפוס וכתבי יד מספריות שונות בעולם, לרבות ספריית בודליאנה והספרייה הלאומית של צרפת.