チャールズ・ダーウィンの進化論によると、生物が自然淘汰の生存競争を勝ち残るために、時に変異を遂げてA種⇒B種⇒C種と徐々に進化したのであれば、祖先Aと子孫Cの中間的な特徴を持つB生物も世の中にいて当然と考えられる。しかし、そうした進化の中間期にあたるB生物が（絶滅したとしても）化石からも発見されていないケースが見られる。これは進化の過程を「つなぐ環が失われている」状態ではないか、という意味合いから、後年になってミッシングリンクと呼ばれるようになった。別パターンとして、子孫C生物は確認されているが、以前の始祖がどのような形態であったのかが不明なケースもある。なお、ダーウィン自身はこの言葉を使っておらず、著書『種の起原』の中では「中間種（intermediate varieties）」や「移行期のつながり（transitional links）」という表現をしていた。ミッシングリンクは、種と種の間をつなぐ小さな移行よりも、やや大きい群の間での進化移行期や分岐点となる生物について言及されることが多く、過去に発見された例では、爬虫類と鳥類の中間種と言える始祖鳥が有名である。これ以外にも進化中間期の化石生物は様々見つかっていることから、ミッシングリンクは進化における謎の間隙ではなく、単に進化中間期の化石証拠がまだ見つかっていない状況を示している。
1873年にはハマースミス延長線およびメトロポリタン・ディストリクト鉄道のリッチモンド延長線の常駐技術者となり、4年間務めた。この後は、リージェンツ・カナル鉄道（1880年）、メトロポリタン・アウター・サークル鉄道（1881年）、新しいロンドン-イーストボーン線（1883年）、アイルランドにおける多くの軽便鉄道（1884年）などに関わった。1884年にはまた、グレートヘッドは再びトンネルと関わり、ロンドン・シティ・アンド・サウスワーク地下鉄、後にシティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道（現在のノーザン線）に技術者として関与して、後者は1890年に開通した時点で世界で最初の電気で走る地下鉄となった。1888年にはリヴァプール高架鉄道にダグラス・フォックスと共に共同技術者となり、またウォータールー・アンド・シティ鉄道にもウィリアム・ガルブレイスと共に関わっている。彼の最後の仕事は、ジョン・ファウラーおよびベンジャミン・ベイカーと共に取り組んだ、セントラル・ロンドン鉄道である。
まもなく、1869年に彼はバーロウの下に戻り、ロンドン中心部でテムズ川の河底に掘る水底トンネルとしては2番目のものとなるタワー地下道の設計に取り組み始めた。バーロウがこのトンネルの主任技術者を務め、グレートヘッドが実際の掘削作業を担当した。タワー地下道の掘削に用いられたシールドは、バーロウが発案し1864年と1868年に特許を取得した円形のシールドの影響を受けて、グレートヘッドが設計した。バーロウ＝グレートヘッド式シールドと呼ばれるこのシールドは、鉄製の直径7フィート3インチ（約2.21メートル）の円筒にスクリュージャッキを備えたものであった。シールドが実際に使われる際には、切羽が掘削されるとシールドがそこへ前進し、後に鋳鉄製のセグメントで造られたトンネルの覆工が組み立てられて残されていく。これ自体が大きな発明であった。グレートヘッドは、圧気工法や水圧ジャッキを用いたシールドの前進など多くの改良で特許を取得し、これは現代のトンネル建設において標準的なものとなっている。彼はまた、ブラックウォールトンネルの建設においてもコンサルタントとして活動した。
第二次世界大戦中、1940年のイングランド。ドイツ軍の空襲を逃れ、ロンドンから小さな村ペパリンジ・アイに疎開して来た孤児の兄弟チャーリー、キャリー、ポールの3人は、一軒家に1人で暮らす中年女性エグランタイン・プライスに預けられる。しかし冷たい態度のプライスを嫌い、夜中にこっそりと逃げ出そうとした3人は、ほうきにまたがり、空を飛ぶプライスを目撃する。実はプライスは通信教育で魔法を勉強中の新米魔女だったのだ。これをきっかけにプライスと子供たちとの距離は縮まる。そこに、プライスが学んでいる魔法大学の学長エメリアス・ブラウンから、戦争のために大学を閉鎖したとの連絡が届く。プライスには戦争を終わらせるためにどうしても魔法を身につけたいとの強い思いがあるため、プライスは子供たちとともにブラウンに会いに「魔法のベッド」でロンドンに向かう。ロンドンに着くとすぐにブラウンは見つかるが、実は彼はペテン師のマジシャンで、魔法学校もインチキだったことが分かる。しかし、ブラウンが昔の本から適当に選んだ呪文がプライスには有効だったことから、その呪文を記した本を見せてもらうことにする。ところがその本「アストロスの呪文」はプライスが最も知りたい「代役移動の術」を記したところで破かれ、その後がなくなっていた。ブラウンによると、その破かれた本の一方は、ポートベロ・ロードにある本屋が持っているという。そこでプライスたちはその本屋を探しに向かう。ポートベロ・ロードでプライスたちが「アストロスの呪文」を探していると、それを耳にした男スウィンバーンが彼らを脅迫して無理矢理「本屋」のもとに連れて行く。そこには同じく「アストロスの呪文」の半分を所有し、残り半分を探している本屋の老人が待っていた。しかし、プライスらが持っている本と本屋が持っている本を合わせても、そこには肝心の呪文は記されておらず、呪文は「アストロスの星」に記されているという。そして、その「アストロの星」が今は動物たちが支配しているナブンブー島にあると分かると、プライスたちは魔法のベッドでナブンブー島に向かう。ナブンブー島は動物たちが支配し、人間は立ち入り禁止だったが、サッカー好きの王様ライオンにブラウンがサッカーの審判をボランティアで務めてやると言って何とか取り入る。そして、王様の首飾りこそが「アストロスの星」だと分かると、ブラウンらは苦労の末「アストロスの星」を手に入れる。しかし元の世界に戻ると「アストロスの星」は消えてしまう。プライスはそこに記されていた呪文を思い出そうと必死になるがどうしても思い出せない。ところが実はポールが持っている絵本に呪文が書かれていたのだ。早速プライスは「代役移動の術」を試してみるが、家中の洋服などが暴れだし、収拾がつかなくなる。何とか騒動を収めたプライスとブラウン、そして3人の子供たちは一連の冒険を通じて家族のように仲睦まじくなる。しかし、子供たちがブラウンに新しい父親になって欲しい、プライスとともに家族になって欲しいと願ったことで、プライスとブラウンは急に相手を意識し出す。ブラウンはいたたまれずにその場を後にし、プライスもそれを見送る。その夜、村にドイツ軍が密かに上陸し、プライスと子供たちは捕らえられて城に監禁されてしまう。魔法を使いたくても、プライスは呪文を完全に覚えていないのでメモがなければ使えない。そこにドイツ軍の侵入に気付いたブラウンが自分に魔法をかけてウサギに化け、プライスらを救いにやってくる。そしてプライスは「代役移動の術」を使って城に展示されている甲冑などを操り、ドイツ軍を撃退する。しかし、ドイツ軍が仕掛けた爆弾でプライスの魔法関連の資料が全て爆破され、プライスは二度と魔法が使えなくなる。ブラウンは軍隊に入ることにする。そして、そんなブラウンをプライスと子供たちは家族として見送る。