Du cabinet de curiosités du Jardin dont il avait la charge, et qui n'abritait alors qu'une collection de coquillages ayant servi de jouets à Louis XIV enfant, Daubenton allait faire un véritable musée d'histoire naturelle. Pendant près de cinquante ans, il en fut un conservateur modèle, classant lui-même la plupart des pièces qui lui parvenaient et étudiant constamment de nouveaux procédés de conservation. Son travail en fit le précurseur d’une discipline qui ne portait pas encore le nom de paléontologie.
S’étant aussi vu confier la partie anatomique et descriptive de l'Histoire naturelle, il fut amené à disséquer de nombreuses espèces de quadrupèdes, dont certaines jamais étudiées ou décrites. Cet homme circonspect et méticuleux, s'efforçant de relier l'organe à sa fonction, d'établir des comparaisons et ne s’appuyant que sur des faits, donna à ses études une indéniable valeur scientifique et en fit l'un des grands anatomistes de son époque.
Tout en continuant à s'occuper du cabinet du roi, à partir de 1766, il s’orienta vers la zootechnie et fut chargé d'améliorer la laine des moutons français. C’est ainsi qu’il introduisit en France deux troupeaux de mérinos.Grâce à ses recherches sur l'hygiène et l'alimentation des animaux, et aux améliorations qu'il apporta aux croisements, la laine de ses moutons supporta la comparaison avec celle des mérinos espagnols.
Membre de l'Académie des sciences (1760), détenteur de la chaire d'histoire naturelle au Collège de France (1778), professeur d'économie rurale à l'École vétérinaire d'Alfort, son attitude coopérative et modérée au début la Révolution lui valut de devenir le premier directeur du Jardin du roi (1790) et de veiller jalousement sur les collections.
En juin 1793, l'ancien jardin du Roi, rebaptisé Muséum national d'histoire naturelle, fut entièrement réorganisé et « Le Berger Daubenton », en devint le premier président.
Après la Terreur, il céda la direction de l'établissement à Anne-Laurent de Jussieu et se consacra dès lors à la minéralogie qu'il enseigna même au Collège de France.
Elu membre du Sénat conservateur sous le Consulat (1799), il mourut cinq jours plus tard victime d'une attaque d'apoplexie lors de la première réunion de cette assemblée.
Daubenton ne repose pas dans un cimetière ordinaire. Accompagné d’un convoi de plus de cinq cents personnes composé de savants, d’hommes de lettres, de membres des principales autorités, etc. son cercueil, couronné de fleurs et plantes dont il s’était particulièrement occupé, fut déposé dans la grande serre ornée, pour l’occasion, de tapisseries des Gobelins. Puis, toujours en grande pompe, il fut inhumé près du labyrinthe du Jardin des Plantes, au sein du jardin qu’il n’avait cessé d’embellir pendant plus de cinq décennies. Sa tombe se trouve au bord du chemin qui mène à la gloriette de Buffon.