Den 29. september 1900 overtok Gustafson etter avdøde Oluf Rygh som professor i nordisk arkeologi og bestyrer av Oldsaksamlingen i Oslo. Hans første store oppdrag var å flytte Historisk museum til Tullinløkka. Det stod ferdig i oktober 1904. Gustafson hadde da allerede gravet en tid i Oseberghaugen (siden 13. juni 1904), etter at bonden Oskar Rom hadde vist ham en trebit fra skipet på Gustafsons kontor den 8. august 1903, den dagen Gustafson fylte 50 år. I samarbeid med Haakon Shetelig arbeidet Gustafson med rekonstruksjon og publikasjon av funnet de påfølgende år. For å hindre at utlendinger kjøpte vikingskipet, sikret Gustafson i 1905 et lovforbud mot salg av fornminner til utlandet, men måtte som vederlag stå for etableringen av et registreringssystem for fornminner. Hans kamp for denne loven var inspirert av lovgivningen i hans hjemland, der loven hadde kommet i 1867. Han utga i 1906. Han startet også utgravningene på gravfeltet ved Store Dal i Skjeberg, Østfold i 1910. For alt dette fikk han St. Olavs Orden i 1911, fire år før sin død.