Nathorst var medlem av Fysiografiska sällskapet i Lund (1878), Vetenskapsakademien (1885), æresmedlem ved Södermanlands-Nerikes nation, Vetenskapssocieteten i Uppsala (1907) og Vetenskaps- och vitterhetssamhället i Göteborg (1909) samt var medlem og æresmedlem av omkring 30 utenlandske vitenskapsforeninger. Han var æresdoktor ved universitetene i Greifswald, Cambridge, Kristiania og St. Andrews.