ตั้งแต่เดือนสิงหาคม ค.ศ. 1814 วอลลิชได้ดำรงตำแหน่งผู้ช่วยศัลยแพทย์ในหน่วยงานของบริษัทอีสต์อินเดีย และลาออกจากตำแหน่งหัวหน้า พิพิธภัณฑ์อินเดียในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1814

ในจดหมายลงวันที่ 2 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1814 ถึงสภาสมาคมเอเชียติก วอลลิชได้เสนอให้จัดตั้งพิพิธภัณฑ์ โดยเสนอตัวรับใช้สมาคมและมอบสิ่งของบางส่วนจากคอลเลกชันส่วนตัวของเขาให้แก่พิพิธภัณฑ์ สมาคมให้การสนับสนุนข้อเสนอนี้อย่างเต็มที่และมีมติจัดตั้งพิพิธภัณฑ์ พร้อมทั้งแต่งตั้งวอลลิชเป็นภัณฑารักษ์กิตติมศักดิ์ และต่อมาเป็นหัวหน้าพิพิธภัณฑ์ตะวันออกของสมาคมเอเชียติกดร. นาธาเนียล วอลลิช เข้ารับตำแหน่งหัวหน้าพิพิธภัณฑ์เมื่อวันที่ 1 มิถุนายน ค.ศ. 1814 พิพิธภัณฑ์ที่เปิดทำการนี้เติบโตอย่างรวดเร็วภายใต้การนำของวอลลิชผู้ก่อตั้งและนักสะสมเอกชน ผู้บริจาคเอกชนส่วนใหญ่เป็นชาวยุโรป ยกเว้นชาวอินเดียคนหนึ่ง คือ บาบูรามกมัล เซนซึ่งในตอนแรกเป็นนักสะสมและต่อมาเป็นเลขานุการชาวอินเดียคนแรกของสมาคมเอเชียติกวอลลิชไม่เพียงแต่เป็นผู้ก่อตั้งและภัณฑารักษ์คนแรกของพิพิธภัณฑ์อินเดียอย่างกระตือรือร้นเท่านั้น แต่เขายังเป็นหนึ่งในผู้บริจาครายใหญ่ที่สุดของพิพิธภัณฑ์ในช่วงเริ่มต้นอีกด้วย จากจำนวนสิ่งของ 174 รายการที่บริจาคให้กับพิพิธภัณฑ์จนถึงปี พ.ศ. 2359 วอลลิชได้บริจาคตัวอย่างพืชจำนวน 42 รายการ^{[ 8 ]}

นอกจากนี้ วอลลิชยังได้รับการแต่งตั้งชั่วคราวให้ดำรงตำแหน่งหัวหน้าผู้ดูแลสวนพฤกษศาสตร์หลวงแห่งกัลกัตตาและต่อมาได้เข้าร่วมงานกับสวนอย่างถาวรในปี 1817 และทำงานที่นั่นจนถึงปี 1846 เมื่อเขาเกษียณอายุราชการ สุขภาพที่ย่ำแย่ทำให้วอลลิชต้องใช้เวลาในช่วงปี 1811–1813 ในสภาพอากาศที่อบอุ่นกว่าของมอริเชียสซึ่งเขาได้ศึกษาต่อที่นั่น ในปี 1822 ตามคำขอของเซอร์สแตมฟอร์ด ราฟเฟิลส์ เพื่อนของเขา เขาได้เดินทางไปสิงคโปร์เพื่อออกแบบสวนพฤกษศาสตร์ ระหว่างการเดินทางไปสิงคโปร์ วอลลิชล้มป่วยและพักรักษาตัวที่โบตานีฮอลล์ ในระหว่างการพักฟื้น ราฟเฟิลส์ได้ชักชวนให้เขาเขียนรายงานถึงรัฐบาลเพื่อเริ่มต้นสวนพฤกษศาสตร์และสวนทดลองในสิงคโปร์ ในเดือนพฤศจิกายน วอลลิชได้ยื่นข้อเสนอสำหรับสวนพฤกษศาสตร์ในสิงคโปร์^{[ 9 ]}วอลลิชจะกลับไปกัลกัตตาในปีถัดมา

วอลลิชได้จัดทำแคตตาล็อกตัวอย่างมากกว่า 20,000  ชิ้น ซึ่งเรียกกันอย่างไม่เป็นทางการว่า "แคตตาล็อกวอลลิช" ตัวอย่างในแคตตาล็อกนั้นถูกรวบรวมโดยวอลลิชเองหรือจากนักสะสมคนอื่นๆ ในช่วงเวลาเดียวกัน รวมถึงร็อกซ์เบิร์ก โกเมซ กริฟฟิธ และไวท์ ผู้สะสมตัวอย่างแต่ละชิ้นจะถูกระบุไว้อย่างชัดเจนในแคตตาล็อก ปัจจุบัน คอลเลกชันส่วนตัวของวอลลิชถูกเก็บรักษาไว้ที่หอพรรณไม้คิวในชื่อคอลเลกชันวอลลิช นอกจากตัวอย่างที่นั่นแล้ว วอลลิชยังได้แจกจ่ายสำเนาตัวอย่างของเขาให้กับหอพรรณไม้หลายแห่ง รวมถึงบางส่วนให้กับเซอร์โจเซฟ แบงค์สซึ่งอยู่ในคอลเลกชันทั่วไปของคิว^{[ 10 ]}

เขาได้ตีพิมพ์หนังสือสองเล่มคือTentamen Florae Nepalensis IllustrataeและPlantae Asiaticae Rarioresและออกเดินทางสำรวจหลายครั้ง หนึ่งในผลงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของวอลลิชในด้านการสำรวจพืชคือการให้ความช่วยเหลือแก่นักล่าพืชจำนวนมากที่แวะพักในกัลกัตตาขณะเดินทางไปยังเทือกเขาหิมาลัยเป็น ประจำ

หนังสือ Plantae Asiaticae Rarioresทั้งสามเล่มนี้ใช้ศิลปินที่ทำงานให้กับสวนพฤกษศาสตร์กัลกัตตา โดยมีภาพวาด 146 ภาพโดย Gorachand, 109 ภาพโดย Vishnupersaud และผลงาน 1 ชิ้นโดย Rungiah (ศิลปินที่ทำงานให้กับRobert Wight ) ส่วนภาพประกอบที่เหลือเป็นผลงานของ John Clark และอีก 3 ภาพโดยWilliam Griffithหนังสือเล่มนี้พิมพ์ออกมา 250 เล่ม โดยบริษัทอีสต์อินเดียซื้อไป 40 เล่ม^{[ 11 ]}

วอลลิชได้รับปริญญาแพทยศาสตรบัณฑิตจากอะเบอร์ดีนในปี พ.ศ. 2362 ^{[ 12 ]}ต่อมาวอลลิชได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้ช่วยของ วิ ลเลียม ร็อกซ์เบิร์กนักพฤกษศาสตร์ของบริษัทอีสต์อินเดียในกัลกัตตาในปี พ.ศ. 2356 เขาเริ่มสนใจพืชพรรณของอินเดีย และได้เดินทางสำรวจไปยังเนปาล (ซึ่งเขาได้รวบรวมตัวอย่างพืชร่วมกับวิลเลียม มัวร์ครอฟต์^{[ 13 ]} ) เวสต์ฮินดูสถาน และพม่าตอนล่าง ในช่วงปี พ.ศ. 2380 และ พ.ศ. 2381 นาธาเนียล วอลลิชดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านพฤกษศาสตร์ที่วิทยาลัยการแพทย์กัลกัตตาสองปีต่อมาในปี พ.ศ. 2364 เขาได้รับปริญญาดุษฎีบัณฑิตกิตติมศักดิ์จากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนและในปี พ.ศ. 2369 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกของราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์และวรรณกรรมแห่งเดนมาร์ก^{[ 14 ]} วอลลิชได้เป็นสมาชิกฟรีเม สันตั้งแต่ยังเด็กในกัลกัตตา^{[ 15 ]}

เขาได้รับเลือกเป็นสมาชิกของราชสมาคมแห่งเอดินบะระในปี พ.ศ. 2465 โดยมีจอห์น ยูล เป็นผู้เสนอชื่อ ต่อมาในปี พ.ศ. 2461 เขาได้รับเลือกเป็นสมาชิกของราชสมาคมแห่งลอนดอน^{[ 16 ]}

วอลลิชมีสุขภาพทรุดโทรมมาหลายปี ครั้งหนึ่งเคยติดเชื้ออหิวาตกโรคและในที่สุดเขาก็ต้องลาออกจากตำแหน่งในปี 1846 และไปใช้ชีวิตบั้นปลายที่ลอนดอน ที่นั่นเขาได้ดำรงตำแหน่งรองประธานของสมาคมลินเนียนซึ่งเขาเป็นสมาชิกมาตั้งแต่ปี 1818

วอลลิชยังคงอยู่ในลอนดอนจนกระทั่งเสียชีวิตในอีกเจ็ดปีต่อมา เขาเสียชีวิตที่ถนนโกเวอร์ในบลูมส์เบอ รี เมื่อวันที่ 28 เมษายน พ.ศ. 2397 ขณะอายุ 68 ปี^{[ 17 ]}เขาถูกฝังที่สุสานเคนซัลกรีน

ส่วนหนึ่งของคอลเลกชันสมุนไพรของวอลลิชที่เก็บรักษาไว้ที่คิว และเป็นที่รู้จักในชื่อหอพรรณไม้ของวอลลิช เป็นหอพรรณไม้แยกที่ใหญ่ที่สุด อีกส่วนหนึ่งของคอลเลกชันคือหอพรรณไม้แห่งชาติกลางของสำรวจพฤกษศาสตร์แห่งอินเดียในกัลกัตตา ทำให้มีตัวอย่างทั้งหมดประมาณ 20,500 ตัวอย่าง^{[ 18 ] [ 19 ]}วอลลิชยังได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้เขียนบทความ 35 เรื่อง ส่วนใหญ่เป็นเรื่องพฤกษศาสตร์^{[ 20 ]}

เมื่อวอลลิชพักอยู่ที่โบตานีฮอลล์ ซึ่งเป็นที่พักในสิงคโปร์บนยอดเขาเพื่อพักฟื้นจากอาการป่วย ยอดเขานั้นจึงได้รับการตั้งชื่อว่าภูเขาวอลลิชตามชื่อของเขา^{[ 9 ]}