Rolf Nordhagen var professor i systematisk botanikk og plantegeografi, først i Bergen og deretter i Oslo. Han var en fremragende og sjeldent allsidig forsker og en ualminnelig inspirerende foreleser og foredragsholder. For norsk botanikk var han den store inspirasjonskilde i mer enn 50 år, og han regnes som en av Norges aller mest betydelige botanikere gjennom tidene.
Nordhagen tok examen artium ved Kristiania katedralskole 1912, ble cand.real. (med innstilling) 1918 og dr.philos. allerede 1922. Han var assistent ved universitetets botaniske hage 1915–20, universitetsstipendiat samme sted 1920–25 og lærer i botanikk ved Norges landbrukshøgskole 1924–25. Deretter var han professor i systematisk botanikk og plantegeografi og bestyrer for Botanisk hage ved Bergens museum 1925–45 og professor i samme fagkrets samt bestyrer for Botanisk hage og Botanisk Museum ved Universitetet i Oslo 1946–64.
Rolf Nordhagen gjorde sin største vitenskapelige innsats innenfor plantesosiologien. Allerede 1919 begynte han omfattende undersøkelser av fjellvegetasjonen i Sylene. Resultatene ble et verk på over 600 sider, den første og største vegetasjonsmonografi over et fjellområde i Norden. Her finnes bl.a. de første norske vegetasjonskart. Likevel er det en annen gigantavhandling som er blitt norske fjellbotanikeres daglige oppslagsverk, nemlig Sikkilsdalen og Norges fjellbeiter. Dette er en systematisk og detaljert oversikt over plantesamfunnene i hele den norske fjellkjeden, deres artsinnhold, økologi og klassifisering. Boken utkom 1943 og var formelt sett resultatet av mangeårige beiteanalyser gjennomført etter oppdrag av Selskapet for Norges Vel.
Plantesosiologien var et nytt forskningsfelt, og Nordhagen bidrog i høy grad til dette fagets utvikling gjennom avhandlinger på det metodiske, det teoretiske og det klassifikasjonsmessige plan. Han spilte en fremtredende rolle i arbeidet med å forene den skandinaviske og den mellomeuropeiske skole innen plantesosiologien, bl.a. på den internasjonale botanikerkongress i Amsterdam 1935 og i avhandlingen Versuch einer neuen Einteilung der subalpinen-alpinen Vegetation Norwegens.
Også innen historisk plantegeografi hadde Nordhagen en dominerende posisjon. Hans doktoravhandling, som omhandlet kalktuffene i Gudbrandsdalen, spesielt ved Leine, er blitt betegnet som “kronen på verket” i striden om Blytt-Sernanders klimavekslingsteori. Samarbeidet med østerrikeren Helmut Gams i de følgende år resulterte i en større avhandling som brakte Mellom-Europa opp på skandinavisk nivå i forståelsen av klimavekslingene etter istiden. Fra ca. 1930 til sin død var Nordhagen den fremste og mest veltalende forkjemper for overvintringsteorien i Norge. Det var arbeidet med utredningen av de norske fjellvalmuers systematikk som overbeviste ham. Han oppdaget nemlig at vi i Norge ikke hadde én, men mange arter av fjellvalmuer, fra Valdres i sør til Finnmark i nord, og at disse artene forekom bare i Norge. Tiden fra siste istids slutt til i dag syntes altfor kort for dannelsen av nye arter. Den eneste logiske forklaringen, mente Nordhagen, var at de forskjellige fjellvalmuene måtte ha oppstått i Norge under selve istiden, under isolasjon i hvert sitt refugium. Han fant etter hvert støtte for overvintringsteorien også gjennom studier av en rekke andre fjellplanter med begrenset utbredelse, bl.a. dvergarve, masimjelt, gullmyrklegg, snøstjerneblom, stivsildre og lapprose.
Nordhagen var internasjonalt kjent som en fremragende plantemorfolog. Han hadde ingen tålmodighet med slendrian i bruk av verken terminologi eller referanser. Han skrev bl.a. en hel avhandling om fjellbjørkas flerstammethet i ergrelse over en utbredt terminologisk feil i norsk forstvitenskapelig litteratur.
I mye av Nordhagens forskning var det å oppklare økologiske og fylogenetiske sammenhenger det essensielle, mens det å beskrive var et hjelpemiddel. Mer enn noe annet sted åpenbares dette i de spredningsbiologiske avhandlingene. Hvorfor ser planten, frukten, frøet nettopp slik ut? Hvori ligger tilpasningsverdien? Hvordan oppstod egenskapen? Hva forteller den oss om plantenes slektskapsforhold? Svarene finner Nordhagen gjennom en prosess av dokumentasjon, spekulasjon og argumentasjon, ofte spennende som en god detektivroman. Vitenskap, hevdet han, består ikke av datainnsamling alene, men også av spekulasjon, dvs. en intelligent fortolkning av fakta.
Det er blitt sagt at Nordhagen var en naturvitenskapsmann med mye av en humanist i seg. Hans tallrike streiftog inn i grenseområdene mellom botanikk og fag som filologi, historie og etnologi har gitt ny og fascinerende innsikt om så forskjellige emner som Inga fra Varteigs jernbyrd, boltlåsnøkler, barkebrød, gamle klosterhager, herregårdenes parkugress, Gange-Rolf og norske og svenske plantenavn.
Somrene benyttet Nordhagen til botaniske feltundersøkelser i Norge. Han gjennomtrålet landet fra Hvaler, Tjøme og Lindesnes i sør til Nordkapp og Varangerhalvøya i nord. I mange år hadde han feltstasjon hos vennen Per Holaker på Kongsvoll fjellstue. Nordhagen elsket feltlivet, klatret som en geit og var utrolig utholdende. I de norske botaniske museer ligger anslagsvis 25 000 av hans herbariekollekter. Feltnotatene fyller ca. 125 feltdagbøker. Allerede 1944 utgav han tekstbindet til Norsk flora. Hans vitenskapelige produksjon løper opp i nesten 6000 trykksider.
Nordhagens arbeidsevne var kolossal. Han hadde i nesten alle år full undervisningsplikt og veiledet en lang rekke hovedfagsstudenter. Han var også i nesten alle år instituttbestyrer, bl.a. var han ansvarlig for omleggingen av museums- og hageutstillingene i Bergen og for den store ombyggingen av Botanisk hage i Oslo i 1950-årene.
Nordhagens betydning som foreleser, foredragsholder og popularisator kan neppe overvurderes. Få kunne trollbinde sine tilhørere som ham. Studenter fra andre fag snek seg inn i botanikkauditoriet for å høre denne forelesningenes mester. Store tilhørerskarer flokket seg til hans omvisninger og foredrag. For Nordhagen var planter noe mer enn objekter det kunne forskes på. Han elsket dem også, for deres individuelle og spennende livsførsel, for deres skjønnhet, som vårens budbringere og for det de har betydd og fortsatt betyr for menneskene. Han kunne så utrolig mye som det ikke var noen grunn for ham til å kunne, som en britisk kollega engang sa, og han delte begeistret all sin kunnskap med andre. Ikke sjelden, spesielt på studentekskursjoner, fulgte det allsang med. Den siste norske utgaven av praktverket Våre ville planter, i åtte bind, bærer i høyeste grad preg av Nordhagens planteglede, omfattende kunnskaper og store populariseringsevne.
Rolf Nordhagen kom tidlig med i naturvernarbeidet og var 1925–35 formann i Vestlandske krets av Landsforeningen for naturfredning i Norge. Hans samfunnsengasjement viste seg i en rekke artikler og innlegg i aviser og tidsskrifter, også om mange andre emner som hagebruk, plantekunnskap i dagliglivet, biologiens stilling i skolen, ødelagte reinbeiter og botanikken som hjelpemiddel ved veibygging i høyfjellet.
Nordhagen var medlem av Videnskapsselskapet i Kristiania (nå Det Norske Videnskaps-Akademi) fra 1923, av Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab fra 1952 og av vitenskapsakademiene i København, Helsingfors, Uppsala, Stockholm, Göteborg og Lund. Han mottok Fridtjof Nansens belønning 1940, ble æresdoktor ved Uppsala universitet 1957 og samme år utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden.