Steenstrup war bis 1845 Lektor für Mineralogie in Sorö, später Direktor des Zoologischen Museums in Kopenhagen.

Profunder Kenner der Meeresfauna und genialer Systematiker, erkannte die Brachiopoden als Würmer, die bis dahin zu den Muscheln gestellt worden waren, deutete die in Island angespülten Reste als Teile von Riesentintenfischen, entdeckte, daß das als Hectocotylus beschriebene und für einen Wurm gehaltene Gebilde in der Mantelhöhle weiblicher Cephalopoden in Wirklichkeit das vom Körper des Männchens abgelöste Begattungsorgan ist. Schrieb 1842 bis 1846 wichtige Arbeiten über den Generationswechsel, aufbauend auf Befunden von Lovén, ebenso über Hermaphroditismus.

Außer und neben diesen wichtigen meeresbiologischen Arbeiten beschäftigte er sich mit dem Studium der prähistorischen Fauna und Flora Dänemarks. Durch seine Untersuchungen dänischer Torfmoore kam er mit den Erzeugnissen früher menschlicher Kultur in Berührung und kann als bedeutender Prähistoriker gelten. Er zog sich 1885 von allen seinen öffentlichen Ämtern zurück, um ausschließlich seinen Forschungen zu leben.