Nathorst ble utnevnt til professor i 1884 og intendant for avdelingen for paleobotanikk ved Naturhistoriska riksmuseet. Nathorst var mest fremstående som paleobotaniker. Takket være sine forbindelser med paleobotanikere over hele verden, skaffet han Naturhistoriska riksmuseet et rikt sammenligningsmateriale fra andre land. Materialet Nathorst samlet på sine ekspedisjoner er grunnlaget for museets nåværende paleobotaniske samlinger.