Известность ученого в академических кругах росла. В 1850 году он являлся уже экстраординарным академиком, а через два года был избран ординарным академиком по кафедре зоологии. Его научная деятельность получила международное признание. Он был награжден золотой медалью Лондонского географического общества, избран почетным членом Берлинского географического общества и членом Британской ассоциации развития наук. Благоприятно складывалась и академическая карьера. Общее собрание 7 апреля 1855 года избрало его непременным академиком-секретарем Академии наук. Он являлся деятельным членом Русского географического общества и Вольного экономического общества.

Как академик-секретарь А. Ф. Миддендорф стремился направить деятельность ученых на изучение производительных сил России, на преодоление отрыва науки от жизненных вопросов на пороге эпохальных реформ Александра П. Он настойчиво боролся за обеспечение достаточного финансирования академических исследований, за их разумное расширение и углубление.

Академик-секретарь высказал провидческие мысли о необходимости объединения научной деятельности ученых всех стран и создания специального международного центра, который бы мог координировать научные исследования в международном масштабе, организовывать доведение научной информации до ученых различных стран и популяризировать научные достижения. Он предложил двигаться в этом направлении, создавая региональные научные объединения, например славянских народов.

Миддендорф, убедившись в том, что его деятельность не находит должной поддержки у властей и у части академиков, а также ссылаясь на недомогание, в 1857 году попросил освободить его от должности непременного академика-секретаря. В 1864 году он отказался от постоянного участия в работе Академии наук и ушел в отставку. Ему была назначена пенсия в размере годового оклада, и общее собрание Академии наук избрало его почетным академиком. В качестве особого отличия собрание сохранило за ним право голоса при решении академических вопросов.

Несмотря на недомогания Миддендорф не прекратил научной деятельности. Летом 1869 года он, сопровождая молодого великого князя в его путешествии по Сибири, совершил несколько самостоятельных выездов в Барабинскую степь. Его маршрут пролегал от Бийска через Обь, которую он пересек вблизи Барнаула, и далее до озера Чаны. Затем он посетил озера Сартланское и Убинское. Ознакомившись с центральной частью Барабинской степи, его группа проследовала вверх по Оби до деревни Балманской. Результатом исследования этого региона явилась книга «Бараба», вышедшая в 1871 году; в ней ученый дал обстоятельное описание Барабинской степи, ее флоры и фауны, геологии и генезиса почв, положения ее населения, анализа медико-эпидемического состояния Барабы как очага эпидемии сибирской язвы. Особенное внимание он обратил на исключительное плодородие степной целины, предвидя ее хозяйственное освоение в будущем.

В 1870 году с участием Миддендорфа проводились гидрологические исследования в Норвежском и Баренцевом морях. Отправившись из Петербурга, эскадра вице-адмирала К. Н. Посьета обогнула Скандинавский полуостров и прибыла в Архангельск. Оттуда она прошла к берегам Новой Земли, а затем к западному побережью Исландии. Находясь на флагманском корабле эскадры, паровом корвете «Варяг», Миддендорф провел наблюдения в районе между Архангельском, Новой Землей и Исландией. Он обнаружил признаки ответвлений Гольфстрима в Баренцевом море. В статье, опубликованной в том же 1870 году, он назвал восточную ветвь Гольфстрима, входящую в Баренцево море, «Нордкапским течением». Это название было принято научным миром и осталось до наших дней. Ученый подтвердил, что ветвь этого течения существует у западных берегов Новой Земли, и сообщил: на берегах архипелага найдены крупные семена бразильского бобового Entada gigalobium.

После возвращения из длительной экспедиции по Сибири и в последующие годы Миддендорф много сделал для развития отечественного коневодства и животноводства. В 1849–1850 годах в кавалерийском училище — Школе гвардейских подпрапорщиков и юнкеров — он читал первый в России курс иппологии (науки о лошади). По словам современного биографа Миддендорфа, он «особенное внимание уделил изучению механизма движений лошади; здесь он был подлинным пионером в разработке основ этого раздела биомеханики». Именно Миддендорф написал первый русский курс по коневедению. Он принял деятельное участие в опытах по улучшению породы молочного скота, в результате которых были выведены эстонская красная и латвийская бурая породы.

Велики его заслуги в появлении в Прибалтике новых пород лошадей-тяжеловозов. Миддендорф всячески пропагандировал распространение научных сведений по животноводству ратовал за внедрение передового отечественного и иностранного опыта в практику животноводства.

В 1878 году по предложению выдающегося географа и путешественника, руководителя Русского географического общества П. П. Семенова-Тян-Шанского Миддендорф отправился в поездку по Фергане. Ее результатом явилась книга «Очерки Ферганской долины», где дан глубокий анализ природы этого среднеазиатского региона. Подробное знакомство с состоянием сельского хозяйства в Ферганской долине позволило ему хорошо изучить вопросы орошаемого земледелия и выработать научные рекомендации по его улучшению. Он закончил книгу провидческими словами: «Фергана, со своими каменноугольными сокровищами и нефтяными ключами, соляными залежами и металлическими рудами, со своим высокоразвитым земледелием, со своею удивительною домашнею промышленностью, множеством городов, местечек и деревень, с густым населением, состоящим из элементов способных, непритязательных, промышленных и оборотливых, и при железной дороге, имеет блестящее будущее».

Уже в преклонном возрасте Миддендорф не прекращал научной и организаторской деятельности. Ученый возглавил последнюю в своей жизни экспедицию Министерства государственных имуществ по обследованию скотоводства в северных районах Европейской России. Он лично побывал в Пермской, Вятской, Вологодской и Ярославской губерниях и разработал ряд методик по определению состояния крупного рогатого скота. В следующем году экспедиция продолжила работу, но прославленный исследователь был вынужден отказаться от участия в ней по состоянию здоровья.

В 1884 году А. Ф. Миддендорф тяжело заболел, и болезнь не оставляла его в течение последних десяти лет жизни. В 1887 году общественность России широко отметила 50-летие научной деятельности Миддендорфа, но сам он из-за обострения болезни не в состоянии был выехать на торжества в столицу. На годичном торжественном собрании Академии наук ученому была присуждена почетная золотая медаль Бэра — высшая награда в России для зоологов.

Ученый и путешественник Александр Федорович Миддендорф скончался 16 января 1894 года. На могиле в парке, прилегающем к его усадьбе Хелленнурме, установлен камень с простой надписью «Доктор Александр Миддендорф», а ниже — годы жизни. Замечательной жизни.