Nathorst var sønn av agronomen Hjalmar Nathorst og hadde fra sin tidligste ungdom studert naturvitenskap; botanikken var hans første interesse, men siden ble geologien førstevalget. Kjernen i hans livsverk anses å være hans arbeide innen paleobotanikkens område. Nathorsts mer rene geologiske arbeider omfattet til å begynne med Skånes geologi: først dets kambriske og senere dets steinkullsførende formasjoner, samt Skånes tektonikk.