Montelius war von 1863 an in verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen Schwedens tätig, seit 1888 als Professor am Staatlichen Historischen Museum, von 1907 bis 1913 als Reichsantiquar.

So Bedeutendes er dabei bewirkt hat, liegt doch sein eigentliches, unvergängliches Verdienst in seinen Leistungen als Forscher. Montelius gehört zu den Begründern der Prähistorie als selbständiges Fach, ist wohl überhaupt der unter ihnen gewesen, von dem die stärkste Wirkung ausgegangen ist. Seine führende Stellung in der Vorgeschichtsforschung Nord- und Mitteleuropas war unbestritten. Das Buch "Tidsbestämning in om bronsäldern med särskilt afseende pa Skandinavien« (1885) bot die erste klare Darstellung der von ihm geschaffenen sog. typologischen Methode an einem dafür besonders geeigneten Fundstoff und ihrer Verwertbarkeit für die relative und absolute Chronologie der vorgeschichtlichen Kulturen des Nordens. 

Montelius griff aber weit über diesen engeren Bereich hinaus. Die Beziehungen zwischen dem Süden und dem Norden der alten Welt in vorgeschichtlicher Zeit hat er in grundlegenden Untersuchungen aufzuhellen gesucht, sei es in zusammenfassender Form wie in seinen Büchern "Der Orient und Europa" und "Die ältesten Kulturperioden im Orient und in Europa", sei es in großen, den gesamten Fundstoff ausbreitenden Werken wie das fünfbändige "La civilisation primitive en Italie depuis l'introduction des metaux" und "La Gréce préclassique".