Nach seiner Rückkehr in die USA wurde er 1879 auf Empfehlung von Edward S. Morse, des ersten Professors der Zoologischen Fakultät der Universität Tokio, dessen Nachfolger an der Universität – ebenfalls als O-yatoi gaikokujin. Viele Zoologen wie Iijima Kai (飯島 魁; 1861–1921), der später Professor an derselben Fakultät wurde, und Ishikawa Chiyomatsu (1860–1935), Professor an der landwirtschaftlichen Fakultät der Universität Tokio, wurden stark von ihm beeinflusst.
Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten im Jahr 1881 forschte Whitman an der Zoologischen Station Neapel (1882), wurde Assistent am „Museum of Comparative Zoology“ der Harvard University (1883 bis 1885) und leitete dann das „Allis Lake Laboratory“ in Milwaukee (1886 bis 1889). Er gründete das Journal of Morphology (1887). Ab 1892 war er Professor an der University of Chicago. Seine zoologischen Arbeiten umfassten unter anderem eine Untersuchung der frühen Blutegelentwicklung und Untersuchungen zur natürlichen Selektion und Mutation in der Evolution.
