年方25歲的林奈受到瑞典科學院的嘉獎，並且以他的名字命名了一個屬為“林奈大屬”。盡管他很傑出，但由於他提前畢業沒有學位，烏帕薩拉大學不能留他任教了。
林奈很不高興，悶悶不樂，鬱鬱寡歡。一天，他的鄰居莫勒來家作客，看到林奈，覺得他才華出眾，很欣賞他。老人提出把女兒許配給林奈，不過希望林奈能取得學位。1735年，林奈周遊各國，在荷蘭取得了醫學博士學位，完成了自己的心願，也完成了老人的囑托。同年，林奈出版了《自然係統》的第一版。
在《自然係統》中，林奈首先提出了以植物的性器官為準則進行分類的標準。書的第一版隻有薄薄的12頁，但很快就產生了影響。“知識的第一步，就是要了解事物本身。這意味著對客觀事物要具有確切的理解；通過有條理的分類和精確的命名，我們可以區分並認識客觀物體……分類和命名是科學的基礎。”在此，林奈提出了分類的意義。
植物的有係統的雙命名製是博欣與土爾恩福爾首先創立的，林奈更把它加以發展。他在拉普蘭為了采集北極植物，在拉普蘭人中間遊曆，看到人種顯著的差別。在他的《自然係統》中，他把人與猿猴、獼猴、蝙蝠同放在“靈長目”中，又按照皮膚的顏色與其他特點，把人分為四類。
林奈在生物學中最主要工作是建立了人為分類體係和雙名製命名法。林奈把自然界分為三界，即動物界、植物界和礦物界。對於植物界，林奈依據雄蕊和雌蕊的類型、數量及大小等特征，還有蕊的排列順序，種種條件把植物分為24綱、116目、1000多個屬和100000多個種。林奈首創了綱、目、屬、種的概念。
林奈把人為分類法運用到動物界。1746年他出版《瑞典動物誌》。在此書中，林奈將動物分為6大綱：鳥綱、兩棲綱、哺乳綱、魚綱、昆蟲綱、蠕蟲綱。他發現，人與類人猿在身體構造上具有相似性，所以把人與猿歸入同一個屬中。
林奈成為生物學發展的裏程碑，並成為近代以來首先確定人類在動物界的第一人。
1745年，林奈發表了《歐蘭及高特蘭旅行記》。林奈提出了雙名製命名法，並在1753年的《植物種誌》中全麵推廣使用了這種方法。雙名製就是所有的物種均用兩個拉丁字去命名，屬名在前，種名在後，學名由屬名和種名組成。這種命名方式結束了以前的混亂命名現象。林奈認為，屬名好比整個家族的姓氏，而種名就是每個家庭成員的名字。林奈的雙名製命名法於1867年被國際植物學會確認，成為全世界統一的命名方法。
《自然係統》一書在林奈生前一直增訂修改。1768年，這本書出了第十二版，比第一版的12頁多出1000多頁，共有1327頁了。
林奈認為，“人為體係隻有在自然體係尚未發現以前才用得著，人為體係隻告訴我們辨識植物，自然體係卻能把植物的本性告訴我們。”他同時認識到，真正的自然體係是複雜的而且隨意性很強，所以很難建立。這是在進化論出現以後的事情了。
林奈的地位很高，學生們到處探險采集標本而不讓他冒險。這樣，有的青年喪生了，林奈十分悲傷。
1761年，國王冊封林奈為貴族，稱他為“卡爾·馮·林奈”。1778年，林奈去世，葬禮很隆重。
林奈去世以後，英國的博物學家史密斯來到瑞典林奈的家中，請求購買林奈的書籍和收藏的標本，家人同意了，瑞典政府也未意識到什麼。等到裝載林奈遺物的英國船開動，瑞典人才意識到失去了珍寶。
據說，瑞典海軍曾出動軍艦去追趕，但是英國船跑得非常快，最終沒有趕上。瑞典政府痛失了珍貴的科學遺產。