В 1833 г. Степан Семёнович Куторга начал работать на кафедре зоологии Императорского Санкт-Петербургского университета. В 1835 г. он был утвержден экстраординарным, а в 1837 г. — ординарным профессором по этой кафедре и первым в университете начал читать курс палеонтологии. Под его руководством на кафедре был организован Зоотомический кабинет. Он был одним из самых популярных лекторов, его лекции посещали и студенты других факультетов, и сторонние слушатели.

С 1836 по 1861 г., помимо палеонтологии, профессор Куторга читал: зоотомию, систему животного царства, зоологию первобытного мира, историю развития животных, сравнительную анатомию, анатомию человека, естественную историю человека и естественную историю отдельных групп беспозвоночных — слизняков, полипов, «ежекожих» (иглокожих), кораллов и насекомых. Его лекции слушали Д. И. Менделеев и К. А. Тимирязев.

В 1835 и 1837 гг. были опубликованы работы Куторги, посвященные геологии и палеонтологии окрестностей Дерпта и написанные по результатам его многолетних геолого-палеонтологических экскурсий. Его биографы указывают на ошибку ученого, принявшего щитки девонских панцирных рыб за остатки крокодилов и черепах, но забывают отметить при этом, что он грамотно описал ископаемые остатки колониальных и одиночных кораллов, членики стеблей морских лилий, а также ортоцератиды, строматопораты и брахиоподы.

В 1838 г. была опубликована его работа «К познанию органических остатков медистых песчаников западного склона Урала», в которой по образцам из частных коллекций и музея Горного института он впервые охарактеризовал позвоночных, членистоногих (мечехвоста и трилобита) и ископаемые остатки растений (преимущественно хвощевидных) пермского возраста.

Несмотря на то, что остатки позвоночных, принадлежащие хищным дейноцефалам (синапсидам), были ошибочно отнесены им к неполнозубым (млекопитающим), И. А. Ефремов дал высокую оценку исследованиям ученого. Поскольку в распоряжении Куторги были только фрагменты плечевых костей, в анатомической интерпретации которых ученый, по мнению Ефремова, показал познания и широту взглядов, намного опередившие более поздние работы видных западных ученых.

Куторга первый из всех ученых обратил внимание на сходство пермских пресмыкающихся с млекопитающими, причем именно с древними типами, сохранившими архаичные признаки. Отсюда и его определения пермских дейноцефалов как неполнозубых млекопитающих. Наименования каналов в плечевой кости, данные Куторгой, так и остались навсегда в сравнительно-анатомической терминологии, несмотря на то что позднейшие авторы предлагали другие названия. Установленные Куторгой роды Brithopus и Syodon (с видами B. priscus и S. biarmicus) Ефремов признал валидными.

В 1839 г. увидела свет капитальная монография Куторги «Естественная история наливочных животных», посвященная микроорганизмам и написанная преимущественно по результатам исследований основоположника микропалеонтологии немецкого естествоиспытателя Х. Г. Эренберга. В нее Куторга включил и собственные результаты изучения микрофоссилий.

Неслучайно завершающая глава этого труда посвящена «ископаемым наливочным животным» и начинается с утверждения, что в осадочных породах должны непременно сохраняться остатки таких видов наливочных животных, которые покрыты твердым, легко сохраняющимся панцирем. Число наблюдений инфузорий в ископаемом состоянии увеличивается… так что со временем останутся немногие горные породы и минералы, в которых не откроют их присутствия. К тому времени Эренберг обнаружил микрофоссилии в таких горных породах, как горная мука и кремнистые земли (диатомит), трепел, кремень-полуопал, железные болотные руды.

Куторга исследовал кремнистую землю, образцы которой происходили из окрестностей оз. Суванто (ныне оз. Суходольское, Ленинградская обл.). Он установил, что кремнистая земля полностью состоит из целых и раздробленных панцирей бациллярий (диатомей), среди которых ученый определил виды, установленные Эренбергом, а также выделил новые.

Куторга пришел к выводу, что кремнистая земля — пресноводное образование. Свою работу он проиллюстрировал таблицей изображений микроорганизмов, которые не только позаимствовал из работ Эренберга, но и наблюдал лично. Монография Куторги появилась через два года после выхода в свет работы Эренберга и стала первой в России публикацией, в которой приведены описания и изображения микрофоссилий.

В 1842 г. Куторга был избран директором Санкт-Петербургского минералогического общества и оставался в этой должности в течение 20 лет — до конца жизни. С его избранием связывают коренной перелом в деятельности этого общества. Одной из важнейших его заслуг стало основание научного периодического журнала Минералогического общества «Записки Санкт-Петербургского Российского императорского минералогического общества»

В 1850 г. вышла в свет работа Куторги «Общий закон появления, существования и исчезания организмов». В ней была представлена стратиграфическая таблица — прообраз нынешней геохронологической шкалы, в которой выделены такие стратиграфические подразделения, как отделы, группы и системы. Каждому подразделению, отметил Куторга, присущи свои ископаемые, которые не встречаются ни в более молодых, ни в более древних образованиях. Ученый также отметил, что здесь было решительное исчезание прежних форм и за этим появление совершенно новых. В статье усматривается приверженность автора к идеям катастрофизма. Он отмечает, что всякая новая эпоха времени вызывала к бытию группы животных, все более и более совершенных. 

Научное наследие Куторги многогранно, оно составляет свыше 40 печатных работ, так или иначе затрагивающих самые различные области естествознания: общую геологию, палеонтологию (палеозоологию и палеоботанику, микропалеонтологию, палеоэкологию), зоологию, микробиологию, анатомию человека, сравнительную анатомию, теорию эволюции, минералогию, петрографию, геохимию, палеогляциологию, картографию, краеведение, почвоведение, археологию и историю науки.

Коллекции, изученные Куторгой, хранятся в Палеонтолого-стратиграфическом музее кафедры динамической и исторической геологии Санкт-Петербургского университета. Это коллекции к работам, посвященным описанию окаменелостей из нуммулитовых известняков Крыма, ископаемым беспозвоночным из окрестностей Дерпта, а также оригиналы к его работе Beitrag zur Kenntniss der organischen Uberreste des Kupfersandsteins am westlichen Abhange des Urals (1838), которые были позднее переизучены Ефремовым.