Poważne ataki malarii i niepewne warunki polityczne zmusiły go do opuszczenia Ekwadoru. W 1993 roku został konserwatorem w Tromsø, gdzie poza niewielkimi zbiorami botanicznymi opiekował się muzealnymi zbiorami ssaków, ptaków i minerałów. Za publikacje naukowe Uniwersytet w Uppsali nagrodził go honorowym doktoratem, a w 1895 r. został profesorem botaniki na Uniwersytecie Sztokholmskim. Na uczelni tej zajmował się reaktywacją zrujnowanego wydziału botanicznego oraz zdobyciem instrumentów i materiałów niezbędnych do nauczania bakteriologii i botaniki.
Praca naukowa Gustaf Lagerheim odkrył i opisał grupę glonów wapiennych, badał także grzyby pasożytnicze. Wraz ze swoimi uczniami przez kilka lat zajmował się badaniem systematyki zielenic. Jego wysokie umiejętności w pracy z mikroskopem sprawiły, że geolodzy zlecali mu mikroskopowe oznaczanie skamieniałości. Zajmował się także mikroskopowym badaniem pyłku roślin (analiza pyłkowa). Na zlecenie rządowe badał kurz uliczny, mąkę żytnią i mięso mielone pod kątem zanieczyszczeń biologicznych. Władze zwracały się do niego także, gdy podejrzewano fałszowanie żywności, przypraw i dzieł sztuki. Dokonał także mikroskopowej analizy szczątków Emanuela Swedenborga i trumny św. Brygidy Szwedzkiej. Napisał lub zredagował około 1000 artykułów w Nordic Family Book.