Etter fem år i München ble Klein professor i geometri ved Universitetet i Leipzig. I 1882 opplevde han en fysisk kollaps, og i et par år etter dette var han sterkt plaget av depresjoner. I 1886 tok han imot et professorat ved Universitetet i Göttingen. Her underviste han helt fram til han gikk av med pensjon i 1913.