Som botaniker behandlet Nathorst den arktiske floraen, men enda mer omfattende var arbeidet innenfor paleobotanikken. Allerede som ung student i 1870 fant han i senglasiale leirelag i Skåne rester av vekster som ikke lengre fantes i disse trakter, men som forekom enten i fjelltrakter eller i de arktiske områdene – for eksempel reinrose, polarvier og dvergbjørk. Senere påviste han forekomsten av en likens flora på flere steder innenfor området for den nordeuropeiske innlandsisens utbredelse i istiden.