Nicolaysen ble i 1856 og var fra 1857 til 1860 lege ved den norske garden i Stockholm. I 1862 ble han utnevnt til kompanikirurg ved hærens hovedstasjon i Christiania. Fra 1863 var han dessuten reservelege ved Rikshospitalets kirurgiske avdeling, før han i 1866 dro ut på en vitenskapelig studiereise til Tyskland, Italia og Frankrike.