Dzięki rekomendacji Lovéna Nordenskiöld zdobył miejsce na organizowanej w 1858 roku wyprawie Ottona Martina Torella do fiordów zachodniego wybrzeża Spitsbergenu, gdzie dokonano badań zoologicznych, botanicznych i geologicznych. Zebrane wtedy przez Nordenskiölda w skamieniałości roślin trzeciorzędowych były początkiem stopniowo gromadzonych, obszernych zbiorów powstałych w wyniku szwedzkich wypraw naukowych. Po zakończonej w tym samym roku wyprawie Nordenskiöld objął stanowisko dyrektora i profesora Wydziału Mineralogii w Muzeum Historii Naturalnej, które sprawował aż do śmierci. W 1860 roku uzyskał szwedzkie obywatelstwo. Podczas drugiej wyprawy Torella na Spitsbergen z 1861 roku Nordenskiöld był odpowiedzialny za badania geologiczne i ustalanie położenia geograficznego. Torell i Nordenskiöld dokonali również zmapowania Ziemi Północno-Wschodniej i północnej części Cieśniny Hinlopen.