1896 trat er in den Staatsdienst ein und wurde in die Landesregierung Bosniens versetzt, das seit 1878 nach dem Okkupationsfeldzug in Bosnien unter österreichisch-ungarischer Verwaltung stand. Von seiner nächsten Stelle in der Handelskammer von Graz, der Hauptstadt des österreichischen Bundeslandes Steiermark, unternahm er Reisen nach Italien und Ägypten. 1901 zog Thurnwald nach Berlin und war dort bis 1906 als wissenschaftliche Hilfskraft am Museum für Völkerkunde tätig. 1905 waren er und Alfred Ploetz Gründer der deutschen Gesellschaft für Rassenhygiene (weltweit die erste ihrer Art). Im Auftrag des Museums unternahm er von 1906 bis 1909 eine Forschungsreise, eine ethnologische Feldforschungsarbeit auf Melanesien, Palau, Yap, Ponape, dem Bismarck-Archipel, auf den Salomonen und in Süd-Bougainville. Die Inseln waren allesamt von 1885 bis 1918 deutsche Kolonien im Pazifischen Ozean. 1912 bekam Thurnwald vom Reichskolonialamt den Auftrag, das Sepikgebiet zu erforschen. Als er auf dieser Forschungsreise 1914 vom Beginn des Ersten Weltkrieges überrascht wurde, erlaubten ihm die australischen Truppen, die die Kolonie Deutsch-Neuguinea übernahmen, in die USA auszureisen.