En esta primera etapa sus intereses y habilidades se centraron en las ciencias biológicas, que le fueron enseñadas por su padre.

[2]​ Sin embargo, fue tras su regreso a Edimburgo para ocupar la antigua cátedra de su padre como profesor de Botánica desde 1888 hasta 1922 cuando Balfour dejó su huella, ya que también fue nombrado 9.º Conservador Regio del Real Jardín Botánico de Edimburgo.

Su padre había ampliado mucho los jardines botánicos durante su mandato, pero Balfour los transformó por completo.

Tras haber saneado sus finanzas al transferirlos a la corona, Balfour se dedicó a reformar a fondo los jardines, estableciendo un instituto botánico propio y remodelando en gran medida el trazado de los jardines para disponer de un arboreto propio, construyendo nuevos laboratorios y mejorando las instalaciones científicas.

[2]​ Se interesó en la flora chino-himalaya, poniéndose en contacto con botánicos y recolectores como Reginald Farrer.