W 1855 roku został profesorem nowo powstałej politechniki zuryskiej (niem. Eidgenössische Polytechnische Schule). W 1857 roku objął posadę profesora na uniwersytecie w Monachium. W 1858 roku odbył podróż studialną do Petersburga, a następnie do Paryża. Po powrocie utworzył instytut botaniczny i został dyrektorem ogrodu botanicznego. W 1858 roku wykazał znaczenie kolejności podziałów komórkowych w określaniu kształtu części roślin.
W 1875 roku otrzymał Order Zasługi Korony Bawarskiej, a dwa lata później Order Maksymiliana. W 1888 roku Uniwersytet Boloński przyznał mu tytuł doktora honoris causa. W 1899 roku von Nägeli przeszedł na emeryturę.
Był jednym z pierwszych naukowców, którzy stosowali mikroskopię oraz nauki matematyki i fizyki w badaniach fizjologicznych. Specjalizował się w badaniach nad powstawaniem i wzrostem komórek oraz nad plazmolizą. Wprowadził pojęcie tkanki twórczej – grupy komórek roślinnych zawsze zdolnych do podziału. Prowadził pionierskie badania nad rozwojem korzenia i powstawaniem wiązek naczyniowych. Zaobserwował zjawisko podziału komórek, potwierdzając wcześniejsze obserwacje Hugo von Mohla (1805–1872). Obok Mohla był pierwszym botanikiem, który rozróżnił ścianę komórkową od zawartości komórki. Stworzył tzw.