L’intérêt de Parkinson s’est progressivement détourné de la médecine au profit de la nature, en particulier le domaine relativement nouveau de la Géologie et de la Paléontologie. Il a commencé à recueillir des spécimens de Fossiles et à les dessiner dans la dernière partie du dix-huitième siècle. Il emmenait ses enfants et ses amis en excursion pour récolter et analyser des fossiles de plantes et d'animaux. Ses tentatives pour en savoir plus sur l'identification et l'interprétation des fossiles ont été contrariés par le manque de documentation disponible et il a pris la décision d'améliorer les connaissances en écrivant lui-même une introduction à l'étude des fossiles.
En 1804 il a publié le premier volume de son Organic Remains of the Former World (restes organiques de l'Ancien monde) que Gideon Mantell a salué comme la première tentative pour répertorier scientifiquement les fossiles et les classer par familles. Un deuxième volume a été publié en 1808 et un troisième en 1811. Parkinson a illustré chacun de ces volumes, parfois en couleur. Les planches ont ensuite été réutilisées par Gideon Mantell. En 1822 il a publié un livre plus court : "Elements of Oryctology: an Introduction to the Study of Fossil Organic Remains, especially of those found in British Strata" (Éléments d’Oryctologie: Introduction à l'étude des vestiges organiques fossiles, en particulier de ceux qui ont été trouvés dans les couches géologiques britanniques).
Parkinson a également contribué à plusieurs articles du livre A Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts de William Nicholson et au premier, deuxième et cinquième volumes des Geological Society’s Transactions(Actes de la Société Géologique).
Le 13 novembre 1807 Parkinson et un certain nombre d’autres personnalités éminentes se sont réunis à la taverne des Franc-maçons de Londres. La réunion rassemblait de grands noms comme sir Humphry Davy, Arthur Aikin et George Bellas Greenough. Ce fut la première réunion de la Geological Society of London.
Parkinson appartenait à une école de pensée, le Catastrophisme qui professait avec conviction que la géologie et la biosphère de la Terre avait été façonnée par des cataclysmes récents à grande échelle. Il citait comme exemple le déluge décrit dans la Genèse et il était absolument convaincu que la création et l'extinction des espèces étaient des évènements guidés par la main de Dieu. Sa vision du Créationnisme, était que chacun des six jours de la création mentionnés dans la bible correspondait en fait à une période beaucoup plus longue qui avait peut-être duré des dizaines de milliers d'années.