En 1819-1820, Johann Baptist von Spix (1781-1826) et Carl Friedrich Philipp von Martius (1794-1868) s'engagent dans une expédition au Brésil et en rapportent, entre autres, une collection de poissons d'eau douce, provenant principalement de l'Amazone. Spix, qui meurt peu de temps après son retour en 1826, n'a pas le temps d'étudier tous les spécimens et Agassiz, bien que venant tout juste de finir ses études, est choisi par Martius pour lui succéder. Il se lance dans ce travail avec l'enthousiasme qui le caractérisera jusqu'à la fin de sa carrière. Il complète sa tâche et publie ses résultats en 1829. Il la poursuit par une recherche sur l'histoire des poissons trouvés dans le lac de Neuchâtel. Élargissant son travail, il publie une version courte de History of the Freshwater Fishes of Central Europe -- Histoire des poissons d'eau douce en Europe centrale en 1830. La version définitive est publiée en 1839 et complétée en 1842. Agassiz la dédie à Georges Cuvier.
En 1832, il est appointé professeur d'histoire naturelle à l'académie de Neuchâtel qui deviendra en 1909 l'université de Neuchâtel. Les poissons fossiles attirent bientôt son attention. Les fossiles contenus dans les ardoises de Glaris et les sédiments de Monte Bolca sont connus à l'époque mais encore peu étudiés. Dès 1829, Agassiz prévoit la publication des travaux qui le font reconnaître comme une sommité dans ce domaine. Cinq volumes de ses Recherches sur les poissons fossiles paraissent entre 1833 et 1843. Les illustrations de Joseph Dikel mettent en valeur le travail d'Agassiz. Pour la collecte des données nécessaires à ces publications, Agassiz visite les principaux musées d'Europe. À Paris, il rencontre Georges Cuvier qui l'encourage et l'assiste.
Agassiz se rend compte que ses découvertes en paléontologie nécessitent une nouvelle classification des poissons. Les fossiles trouvés présentent rarement, ne serait-ce qu'à l'état de traces, des tissus mous, et même les os sont mal conservés. Ils consistent souvent en dents, écailles et nageoires. Aussi, adopte-t-il une classification basée en quatre groupes : Ganoïdés, Placoïdés, Cycloïdés et Cténoïdés, basés sur la nature des écailles et autres appendices dermiques. Bien qu'Agassiz ait fait beaucoup pour amener ce sujet dans le domaine de la science, cette classification a été supplantée par des travaux postérieurs.
Au fur et à mesure que ces travaux progressent, il devient évident que ses ressources matérielles limitées sont un frein, à moins de pouvoir trouver une assistance financière. La British Association for the Advancement of Science lui vient en aide ainsi que le comte de Ellesmere -- Lord Francis Egerton -- qui lui achète les 1290 dessins originaux pour les présenter à la Geological Society of London. Celle-ci décerne en 1839 la médaille Wollaston à Agassiz pour son travail. En 1838 il est élu membre étranger de la Royal Society. Pendant ce temps, les invertébrés attirent son attention. En 1837 il publie le prodrome d'une monographie sur les espèces contemporaines et fossiles d'échinodermes, dont la première partie parait en 1838; les parties sur les échinodermes fossiles suisses en 1839-1840 ; et en 1840-1845 les Études critiques sur les mollusques fossiles
Avant sa première visite en Angleterre en 1834, les travaux de Hugh Miller et d'autres géologues mettent en lumière les poissons fossiles contenus dans les couches des vieux grès rouges du nord-est de l'Écosse. Les formes étranges des ptérichthyodés, des coccosteus et autres genres sont alors connus pour la première fois. Agassiz est très intéressé par ces spécimens et écrit une Monographie des poissons fossiles du Vieux Grès Rouge, ou Système Dévonien (Old Red Sandstone) des Îles Britanniques et de Russie en 1844-1845.
Dans la première partie de sa carrière à Neuchâtel, Agassiz se distingue également comme étant un bon directeur de département. Sous sa direction, l'académie de Neuchâtel devient une institution scientifique de premier plan.