Devletin üst kademelerinde çeşitli görevler yapan Osman Hamdi Bey 11 Eylül 1881 tarihinde İmparatorluk Müzesi (Müze-i Hümayun) Müdürlüğüne atandı. Bu göreviyle kendi yaşamında olduğu gibi, Türk müzeciliğinde de yepyeni ve verimli bir dönem açılmış oldu. 1883'de Sanayi-i Nefise Mekteb-i Alisini (Güzel Sanatlar Okulu) kurarak bu okulun müdürlüğünü de üstlendi.
1884 yılında eski eserlerin yurt dışına çıkarılmalarını yasaklayan ve o gün için Türk müzeciliği ve eski eserlerin korunması bakımından büyük bir adım olan Asar-ı Atika Nizamnamesi'ni çıkararak uygulamaya koydu.
Osman Hamdi Bey Nemrud Dağı, Lagina Tapınağı ve Sayda'da kazılar yaptı. Sayda kazısında bulduğu ve arkeoloji dünyasının baş yapıtları kabul edilen, aralarında İskender Lahti'nin de bulunduğu lahitler ve diğer eserlerin sergilenmesi için, büyük bir ileri görüşlülükle ilk Türk müze binası olan bugünkü İstanbul Arkeoloji Müzesi'nin 1881 yılında temelin attı ve 1891'de hizmete açtı.
Müzecilik çalışmaları ile birlikte resim çalışmalarını da sürdüren Osman Hamdi Bey doğu anlayışı ile yaptığı figürlü kompozisyonları ile Türk resim sanatının başarılı bir temsilcisi oldu. Resimleri yerli ve yabancı birçok müze ve koleksiyonlarda yer almaktadır.
Osman Hamdi Bey 24 Şubat 1910 tarihinde İstanbul Kuruçeşme'deki yalısında hayata gözlerini kapadı.
