1841 anställdes han som extra ordinarie kanslist vid ecklesiastikdepartementets expedition där han tjänstgjorde fram till 1848 och samma år som extraordinarie amanuens i Riksarkivet, där han tjänstgjorde fram till 1861. År 1848 utnämndes han till kopist i ecklesiastikexpeditionen, blev 1861 kanslist, 1862 protokollsekreterare och 1871 expeditionssekreterare i ecklesiastikdepartementet. 1874 blev Dahlgren tillförordnad chef för byrån för hälso- och fattigvårdsärenden samt 1878 kansliråd och chef för samma byrå.
Redan under studietiden hade han författat dikter på värmländska, som sedan publicerades anonymt i de värmländska tidningarna. År 1875 utkom hans första samling av dialektdikter Viser på varmlanske tongmåle under pseudonymenFredrek på Rannsätt, och dessa följdes året därpå av Speller nye viser och därefter av flera liknande samlingar. Dahlgren var även uttolkare av medeltida och nyare tiders handskrifter, och har bland annat utgett Skandinaviska samfundets handlingar, del 30–40 (1849–60), och har dess nya följd del 1–5 (1861–66), Bogislaus Philipp von ChemnitzsGeschichte des schwedischen in Deutschland geführten Kriges (del 3–4, 1855–59), Lagförslag i Carl IX:s tid (1864), Kung Erik XIV:s krönika (1847),[5] 3:e delen av Ett fornsvenskt legendarium (1847), Skrifter till läsning för klosterfolk med flera arbeten. Flera av dessa arbeten skrev han för Svenska fornskriftsällskapets räkning, och han blev dess förste sekreterare vid sällskapets instiftande 1843.
1871–1895: Svenska Akademien
Dahlgren var ledamot av Svenska Akademien under åren 1871–1895, på stol 6. Dahlgren hade varit amanuens vid Svenska Akademien sedan 1854. Som amanuens hade han samlat språkprov för Akademiens ordbok, bland annat omkring 40.000 ord ur Gustav Vasas bibel, ur alla svenska på 1500-talet tryckta skrifter med mera. Han utarbetade även Ordlista öfver svenska språket i dess första upplaga 1873, och utgav 1870 första delen av Akademiens Ordbok öfver svenska språket. Från 1854 redigerade han även Svenska Akademiens handlingar. Hans postumt utgivna "Glossarium öfver ålderdomliga eller ovanliga ord och talesätt i svenska språket" (1914–1916) är fortfarande ett viktigt hjälpmedel vid studier av äldre skrifter. 1875 utsågs han även till ledamot av direktionen över Stockholms stads undervisningsverk.
Jacob Balde, latinsk skald ur sjuttonde århundradet : afhandling, hvilken med vidtberömda philos. facultetens tillstånd under inseende af ... Pehr Daniel Amadeus Atterbom ... för filosofiska graden till offentlig granskning framställes ... Upsala. 1839. Libris1993512
Om de grekiska romanerna : afhandling, hvilken med vidtberömda philos. facultetens tillstånd till offentlig granskning framställes .... Upsala. 1840. Libris20194124
Fredrik August Dahlgrens dagboksanteckningar 1844-1860 / inledning och kommentarer av Dag Nordmark. Skriftserie utgiven av Värmlands museum, 0280-8188 ; 16. Karlstad: Värmlands mus. 1982. Libris7746638. ISBN 9185224227
Otryckta pjäser
Elisif (1846) ; Kyssen (1846) ; Ett äfventyr på Stegeborg (1853) ; Kaffeförbudet (1853).
Översättningar
Calderón de la Barca, Pedro (1858). Lifvet en dröm : skådespel i fem akter. Stockholm: Norstedt. Libris3103161
Shakespeare, William (1845). Romeo och Julia : sorgspel. Stockholm. Libris9078145
Shakespeare, William (1846). Thalia 1847. Helsingfors: Frenckell. Libris14973991
Heiberg, Johan Ludvig (1857). Elfjungfrun : skådespel i fem Akter, med Sång. Stockholm: Bonnier. Libris9992157
Moreto, Agustín (1873). Stolthet mot stolthet : lustspel i 3 akter. Stockholm: Norstedt & S. Libris1583149
Otryckta översättningar av Shakespeare
Macbeth (1858) ; En midsommarnattsdröm (1860) ; Förvexlingarna (1861).
Geijer, Erik Gustaf (1849-1855). Erik Gustaf Geijers samlade skrifter. Stockholm: Norstedt. Libris8198070
Handlingar rörande Skandinaviens historia. 30-40 ; Ny följd. 1-5 / utgifna af Kungl. Samfundet för utgifvande af handskrifter rörande Skandinaviens historia. Stockholm. 1849-1866
Chemnitz, Bogislaus Philipp von (1855-1859). Königlichen schwedischen in Teutschland geführten Kriegs. 3-4. Stockholm: P. A. Norstedt und Söhne. Libris18233579
Lagförslag i Carl den niondes tid. Handlingar rörande Sveriges historia. Andra serien, 99-1920778-0 ; 1. Stockholm. 1864. Libris885171
Ett fornsvenskt legendarium : innehållande medeltids kloster-sagor om helgon, påfvar och kejsare ifrån det 1:sta till det xiii:de århundradet. Band 3. Samlingar utgivna av Svenska fornskriftsällskapet. Serie 1, Svenska skrifter, 0347-5026 ; 42 ; 52 ; 56 ; 61. Stockholm: Norstedt. 1865-1874. Libris8208487
Ordlista öfver svenska språket : utg. af Svenska akademien. Stockholm: Norstedt. 1874. Libris3061647 - Redigerades av Dahlgren fram till och med den sjätte upplagan (1889).