J.A. Palmén toimi Keisarillisen Aleksanterin yliopiston eläintieteen professorina vuodet 1884–1908, ja häntä pidetään Darwinin evoluutio-opin juurruttajana suomalaiseen tutkimukseen. Palmén perusti myös Tvärminnen eläintutkimusaseman, ja sen toimintaa rahoittaa tänäkin päivänä hänen nimeään kantava rahasto.
Johan Axel Palménin molempien vanhempien sukuhaaroista löytyi korkeita akateemisia virkoja, ja Johan Axelin isä Johan Philip toimi pojan syntymänkin hetkellä lainopin professorina Keisarillisessa Aleksanterin-Yliopistossa. Myös Johan nuoremman opintie kulki akateemisesti lahjakkaalle oppilaalle luonnollista reittiä Helsingfors Lyceumista yliopistoon. Eläintieteen alalle lienee houkutellut enon Evert Julius Bonsdorffin esimerkki, sillä tämä toimi ihmislääketieteen professuurinsa rinnalla myös muun luonnon tutkijana.
Tutkimusmatkat Lapin erämaissa olivat olleet jo Carl von Linnén ajoista saakka monen aloittelevan luonnontutkijan kivijalka, ja myös Palménin kaltaiset Fauna et Flora -seuran nuoret ylioppilaat suuntasivat pohjoiseen 1860-luvulla. Viimeistään näillä matkoillaan Palmén myös vaikuttaa ottaneen tieteellisen maailmankatsomuksensa perustaksi Charles Darwinin Lajien synnyn. ”…[Matkatoveri] John mutustelee toisinaan Hegeliä, ja minä Darwinia”, kirjoitti Palmén eräässä kirjeessään kesällä 1867.
Kandidaatiksi valmistumisen jälkeen Palménin ura oli viettää vahvasti hyönteistutkimuksen pariin, mutta taiteilija ja ornitologi Magnus von Wrightin menehtyminen ja kesken jäänyt teossarja Finlands foglar johdatti Palménin sitä viimeistelemään. Tutkimustyön pohjalta valmistui vuonna 1874 väitöskirja Om foglarnes flyttningsvägar, joka seuranneiden vuosien laajennettuine laitoksineen kohosi merkittäväksi osaksi tieteenalan kehitystä maailmassa.
Väitöskirja oli poikkeuksellinen jo siitä syystä, että se perustui ajatukseen evoluutiosta. Vain reilu vuosikymmen aiemmin julkaistu Lajien synty luonnonvalintateorioineen ei ollut lähelläkään nykyistä hegemonia-asemaansa, ja Palménin ajattelu kohtasi kritiikkiä niin kansainvälisten ornitologien kuin oman yliopistonsakin piiristä. Yliopiston tuolloinen eläintieteen professori F. W. Mäklin oli avoimen anti-darwinistinen, mutta se ei estänyt meritoitunutta Palménia nousemasta alan ylimääräiseksi professoriksi vuonna 1892. Mäklinin menehdyttyä kahta vuotta myöhemmin J. A. Palmén nousi vuonna 1884 eläintieteen professoriksi seuraavaksi neljännesvuosisadaksi.
Professuurinsa aikana Palmén vaikutti monella tapaa tiedekuntansa ja koko yliopiston kehitykseen. Hän esimerkiksi hankki omaan laskuunsa A.E. Nordenskiöldin arvokkaan kartografisen kirjaston yliopiston omistukseen, ja yhtä merkittävänä voidaan pitää myös biologisten tutkimusasemien perustamista. Ensimmäinen niistä nousi Lehtisaareen 1880-luvun lopulla, ja sen käytyä pieneksi Palmén hankki – jälleen omin varoinensa – Hangon Tvärminnestä tilat, joissa aloitti toimintansa eläintieteellinen tutkimusasema.
Tutkimusaseman toimintaa tukemaan Palménin perhe ja ystävät perustivat J. A. Palménin rahaston tämän 70-vuotispäivien kunniaksi vuonna 1915. Vuonna 1908 eläköitynyt professori vietti vanhuudenpäiviään rakkaassa Tvärminnessään sekä veljensä E.G. Palménin luona Forssassa. Siellä eläintieteen uudistaja siirtyi ajasta ikuisuuteen vuonna 1919.
Lapsettomana menehtynyt Johan Axel Palmén testamenttasi Tvärminnen tutkimuskeskuksen Helsingin yliopistolle, ja se yhdessä rahaston kanssa on edelleen näkyvin osa Palménin vaikutusta yliopiston arjessa. Ja silti, biologi Anto Leikolan käyttämä nimitys ”darwinismin tärkein tieteellinen puolestapuhuja” lienee tiedeyhteisölle perintönä yhtä merkittävä.