Retzius virket som professor ved Karolinska Institutet i Stockholm (fra 1877 i histologi og fra 1889 i anatomi). I 1890 sluttet han ved Karolinska institutet for helt og fullt å kunne drive forskning. Retzius studerte spesielt hjernens og nervesystemets oppbygning, og gjorde komparative studier på forskjellige dyr, blant annet vedrørende høreorganet. I tillegg til antropologiske arbeider, utførte han undersøkelser over menneskets kjønnsceller og fosterutvikling. Han har også oversatt Robert Burns' dikt til svensk.