Owen tornou-se fascinado por anatomia principalmente em comparações específicas entre os órgãos e estrutura de diferentes animais. Após a qualificação, foi nomeado curador assistente do Museu Hunterian em Londres. Lá havia uma grande coleção de peças anatômicas de humanos e animais. Owen foi cativado por esse projeto, e abandonou a ideia de praticar medicina. Quando já atuava como guia para os visitantes da coleção foi apresentado ao famoso naturalista francês Barão Cuvier. Logo depois no mesmo ano ele tornou-se o mais jovem membro da Sociedade Zoológica de Londres. Assim começou sua carreira de 57 anos no museu, o maior destaque foi a sua nomeação, em 1856, como Superintendente dos Departamentos de História Natural do Museu Britânico. Através de seu trabalho cedo no museu, sua reputação subiu rapidamente. Dentro de poucos anos. Owen fez uma série de contribuições para a taxonomia, pesquisava sobre um ou outro táxon no decorrer de suas investigações anatômicas, também descreveu muitas espécies previamente desconhecidas.
Ele, então, contemplou sua carreira profissional natural. Mas a tendência era evidentemente em direção à pesquisa anatômica e, assim, ele foi induzido por Abernethy a aceitar a posição de assistente de William Clift, curador do museu do Royal College of Surgeons. Essa ocupação agradável logo o levou a abandonar sua intenção com a prática médica. E, a partir daquele momento, sua vida foi devotada a trabalhos puramente científicos. Ele preparou uma série importante de catálogos da coleção Hunteriana no Royal College of Surgeons; e no curso de seu trabalho adquiriu um conhecimento inigualável sobre anatomia comparativa, a qual lhe permitiu enriquecer todos os departamentos da ciência, e especialmente facilitou suas pesquisas nos confins da extinção animal. Owen investiu muito de suas energias em um grande esquema no Museu Nacional de História Natural, o qual resultou na transferência de coleções de história natural do Museu Britânico para um novo prédio no South Kensington, o Museu Britânico (História Natural). Ele se manteve no posto até a conclusão do seu trabalho em 1884, quando recebeu a eminência de K.C.B., e, desde então, viveu em retiro no Sheen Lodge, Parque Richmond, até sua morte.
O final de sua carreira foi afetado por numerosas acusações de falta de crédito aos trabalhos dos outros, e até de tentar apropriar-se deles. Isso veio à tona em 1844, quando ele exigiu crédito apenas para em seu artigo sobre belemnites, o qual já tinha sido apresentado à Sociedade Geológica por Chaning Pearce alguns anos antes. Como consequência, foi excluído da Sociedade Zoológica e da Royal Society.
Enquanto esteve ocupado catalogando a coleção Hunteriana, Owen não limitou sua atenção a preparações já realizadas, mas também aproveitou cada oportunidade de dissecar novos assuntos. Ele foi especialmente favorecido com o privilégio de investigar animais que morriam nos jardins da Sociedade Zoológica; e quando essa sociedade passou a publicar minúcias científicas em 1831, foi o que mais contribuiu com artigos sobre anatomia. Sua primeira publicação notável, entretanto, foi seu Memoir on the Pearly Nautilus (Londres, 1832), que foi logo reconhecido como clássico. A partir de então, continuou a contribuir com todos os assuntos de Anatomia Comparativa e Zoologia por um período de mais de 50 anos. Entre as esponjas, Owen foi o primeiro a descrever o agora bem conhecido certo de flor de Venus ou Euplectella (1841, 1857). Entre os Entozoa, sua descoberta mais notável foi a da Trichina spiralis (1835), o parasita que infesta os músculos do homem na doença agora denominada Triquinose (ver também Sir James Paget). Com os Brachiopoda, ele realizou estudos muito especiais, que muito contribuíram para o avanço do conhecimento e estabeleu a classificação que tem sido há muito tempo adotada. Entre os Mollusca, ele não apenas descreveu a pearly nautilus, mas também a Spirula (1850) e outros Cephalopoda, vivos e extintos; e foi ele que propôs a subdivisão mundialmente aceita dessa classe em duas ordens de Dibranchiata e Tetrabranchiata (1832). O Arthropoda problemático Limulus também foi sujeito de um ensaio especial em 1873.