Allen tham gia chuyến thám hiểm năm 1865 của thầy mình tới Brasil, nơi Agassiz sau đó tuyên bố đã tìm thấy bằng chứng về một kỷ băng hà. Sau khi trở về Massachusetts, bệnh mãn tính khiến anh trở về trang trại của gia đình ở Springfield.[2]

Đến năm 1867, sức khỏe của Allen đã được cải thiện đủ để anh ta tiếp tục tham gia các chuyến đi, bao gồm tại Vịnh Sodus, và sau đó ở Illinois, Michigan và Indiana. Khi trở về Massachusetts, ông đảm nhận vị trí curator về chim và động vật có vú tại Bảo tàng Động vật học so sánh của Harvard. Vào mùa đông năm 1868-1869, ông là một trong hai nhà nghiên cứu về loài chim, người còn lại là Charles Johnson Maynard, để khám phá tiểu bang Florida tương đối xa lạ, nơi vẫn còn rất hoang dã vào cuối những năm 1860.[2]

Khi trở về, ông đã viết một bài phân tích nổi tiếng về chuyến đi của mình mang tên On the Mammals and Winter Birds of Eastern Florida, được xuất bản năm 1871. Cùng năm đó, ông được bầu làm thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoa Kỳ.[3]

Trong vài năm tiếp theo, Allen mạo hiểm đến Đại Bình nguyên Bắc Mỹ, dãy núi Rocky và lãnh thổ Dakota để thu thập mẫu vật cho bảo tàng Harvard. Ngoại trừ chuyến đi thu thập năm 1882 ở Colorado cùng với nhà điểu học William Brewster, Allen không bao giờ đi thực địa nữa, chủ yếu vì sức khỏe giảm sút.[2]