Norman tilbrakte store deler av sitt yrkesliv utenfor akademiske sirkler, som forstmester i Troms og Finnmark. Like fullt er han et av de sentrale navnene i norsk botanikk på 1800-tallet. I sin tid på universitetet var han særlig interessert i planteanatomi og studiet av lav. Hovedtyngden av hans senere botaniske arbeid er imidlertid av plantegeografisk art, med en flora over Norge nord for polarsirkelen som et avsluttende hovedverk.
Norman ble student 1840 og tok medisinsk embetseksamen 1847. Allerede året etter la han medisinen til side og satset på en karriere innen botanikken. 1849–50 var han universitetsstipendiat i botanikk i Christiania. Med økonomisk støtte fra universitetet foretok han botaniske reiser i ulike deler av Norge – til Gudbrandsdalen 1849, på kysten mellom Stavanger og Bergen 1850 og til Vest-Finnmark 1852. 1853–55 studerte han utenlands, hovedsakelig i Wien i Østerrike, i Italia og Frankrike.
Gjennom sitt forskerliv kom Norman til å arbeide på en rekke ulike felter innen botanikken. Oppholdet i Wien ble særlig brukt til å studere planteanatomi. Normans hovedinteresse på denne tiden var imidlertid lav, særlig skorpelav.
Mai 1855 vendte Norman tilbake til Norge, hvor han igjen ble tilsatt som universitetsstipendiat. Året etter tok han over undervisningen i botanikk. Tilsynelatende lå alt til rette for en vitenskapelig karriere. To år senere brøt han imidlertid alle bånd til universitetet og sa opp sin stipendiatstilling. Årsaken lå i en personlig og vitenskapelig feide med den daværende konservator i botanisk hage, senere professor i botanikk, F. C. Schübeler.
I en kort overgangsperiode virket Norman som lege. 1858 fikk han et offentlig stipend for å utdanne seg til forstmann i Bayern. Han vendte hjem til Norge høsten 1859, og fra sommeren 1860 var han forstmester i Finmarkens amt (Troms og Finnmark). Samme høst giftet han seg med sin kusine Anna Fredrikke Jørgensen. De flyttet til Tromsø, hvor ekteparet kom til å bo i 16 år.
Som forstmester foretok Norman hver sommer lange reiser i sitt vidstrakte embetsdistrikt. Skogen var mange steder utarmet av årelang rovdrift, og arbeidsoppgavene var mange og krevende. Ved siden av den skogfaglige virksomheten drev Norman flittig innsamling av planter i de områdene han besøkte.
1876 ble Norman tildelt statsstipend og fritatt for sine plikter som forstmester. Fra 1. juni samme år kunne han ofre seg helt for sine botaniske sysler. Året etter flyttet han og familien til Larvik. De neste 10 årene gjennomførte han hver sommer lange reiser i Nord-Norge, med sikte på å lage en flora over den nordligste delen av Norge.
Feltarbeidet ble avsluttet sommeren 1886. Norman var allerede godt i gang med sammenstillingen av sitt hovedverk, Norges arktiske flora, trykt i to store bind 1894–1901. Med sitt vell av detaljopplysninger er det fortsatt et sentralt verk for alle som er interessert i floraen i Nord-Norge. Som alle hans arbeider er det preget av nøyaktighet og skarp iakttakelsesevne. Hans store herbarium ble innkjøpt av staten og er fordelt på de fire universitetsmuseene. Mye av lavmaterialet er siden havnet i USA.
Under sine reiser førte Norman en omfattende korrespondanse med sin kone Anna. Store deler av dette brevmaterialet er bevart. Det gjenspeiler et lykkelig ekteskap, med seks barn som er født i Tromsø i årene 1861–69, og ett som ble født 1878. To av de tre sønnene døde i ung alder. Brevene gir et levende innblikk i datidens feltarbeid og rommer en rekke opplysninger av lokal- og kulturhistorisk interesse. Noen botaniske utdrag er trykt.