Storm tok filologisk embedseksamen i 1868, og debuterte straks deretter som historisk kritiker og polemiker med avhandlingenOm den gamle norrøne literatur (1869), som ble fortsatt med den banebrytende tekstkritiske arbeidet Snorre Sturlassons historieskrivning (1873). I 1874 tok han doktorgraden. Han ble universitetsstipendiat i 1875 og i 1877 professor i historie ved Kristiania universitet. Der kom han til å utøve stor innflytelse ikke bare som lærer, men også på universitetets administrative forhold og dets vitenskapelige virksomhet som generalsekretær i Videnskabsselskabet i Christiania, nå Det Norske Videnskaps-Akademi, i årene 1884–1903.[5] På sitt hovedområde, Norges historie i middelalderen, utførte Storm et veldig nyskapningsarbeide, som tok form av en stor mengde avhandlinger i historiske, filologiske og geografiske fagtidsskrifter. Han oversatte de gamle kongesagaene til norsk for den store folkeutgaven som utkom i 1899.
Storms avhandling fra 1894 om det norske riksvåpenet, er fortsatt den mest grunnleggende og vitenskapelige behandling av dette våpenets oppkomst og tidlige utvikling i middelalderen.[6] Blant annet drøftet han Snorres skildring av kong Magnus Berrføtts bruk av løven, og konkluderte med at skildringen er uhistorisk, og bare beskriver kongevåpenet på den tid Snorre skrev kongesagaen.
Gustav Storm engasjerte seg i den nordiske erobringen av Normandie rundt år 900. Den danske historikeren Johannes Steenstrup (1844-1935)[7] tok i bruk normanniske krøniker - særlig den Dudo av Saint-Quentin rundt 1020, for å motbevise sagatradisjonene. Storm påpekte at verken norsk-islandske sagaer, Saxo fra Danmark eller normanniske skribenter som Dudo kan anses som spesielt troverdige kilder til 800-tallets hendelser, men heller bærer preg av sagnkretser rundt skikkelser som Gange-Rolv og Ragnar Lodbrok.[8] I sin siste avhandling tok Storm for seg kong Sverres herkomst og mente at Sverre faktisk var kongesønn. Til støtte for sin oppfatning brukte Storm engelske skrifter fra 1100-tallet, spesielt Benedict av Peterborough, som i Gesta Henrici secundi[9] («Henrik 2.s gjerninger») fra ca 1180 omtaler tronstridene i Norge uten å dra Sverres kongelige byrd i tvil, selv om Benedict som geistlig var en av Sverres hovedmotstandere.[10]
