Videre førte han en vanlig profesjonell karriere, men alltid med en dragning mot anatomisk forskning. Abernethy fikk ham til å akseptere en stilling som assistent til konservator William Clift ved museet til . Dette yrket fikk ham fort til å gi opp tanken på legepraksis. I stedet vidde han livet sitt til vitenskapelig arbeide. Noe av det viktigste tidlige arbeidet hans var katalogiseringen av Hunter-samlingen, hvor han tilegnet seg særdeles gode kunnskaper om komparativ anatomi. I 1836 ble han utnevnt til huntersk professor, og i 1849 avløste han Clift som konservator. Denne stillingen holdt han til 1856, da han ble ansvarlig for de naturhistoriske samlingene ved British Museum. Her brukte han mye energi på å få stelt i stand et naturhistorisk nasjonalmuseum, noe han til slutt fikk til: Det ble bygd et nytt museum, spesielt for de naturhistoriske samlingene, i South Kensington. Dette sto ferdig i 1884. Owen ble utnevnt til kommandørridder av Order of the Bath.