В «Системе природы», «Родах растений», «Классах растений» (1738), «Философии ботаники» (1751) и «Видах растений» (1753) он создал свою монументальную классификацию. В этом деле у него было несколько предшественников, особенно Баухин и Турнефор, а Ривинус уже в 1690 году предложил биномиальный метод наименования растений. Несмотря на эти труды, Линней обнаружил, что коллекции его времени находятся в состоянии беспорядка, который серьезно мешал научному изучению растений. Были открыты сотни новых видов, которым ботаники давали противоречивые названия. Линней взялся классифицировать все известные растения сначала по классам, затем в классах — по порядкам, в порядках — по родам, в родах — по видам; так он пришел к латинскому названию, принятому во всем мире. За основу своей классификации он взял наличие и характер или отсутствие репродуктивных органов; так он разделил растения на «фанерогамы», имеющие видимые органы размножения (цветки), и «криптогамы», у которых (как у мхов и папоротников) нет цветков, дающих семена, а репродуктивные структуры скрыты или малозаметны.
Некоторые робкие души возражали, что такой акцент на сексе может опасно повлиять на воображение молодежи. Более жесткие критики в течение последующих ста лет указывали на более серьезные недостатки классификации Линнея. Он был настолько заинтересован в поиске названий для растений, что на некоторое время отвлек ботанику от изучения функций и форм растений. Поскольку преобразование видов запутало бы его систему и противоречило бы Книге Бытия, он установил принцип, согласно которому все виды были непосредственно созданы Богом и оставались неизменными на протяжении всей своей истории. Позже (1762) он изменил эту ортодоксальную позицию, предположив, что новые виды могут возникать в результате гибридного скрещивания родственных типов. Хотя он относился к человеку (которого он доверительно называл «homo sapiens») как к части животного царства и классифицировал его как вид в порядке приматов, наряду с обезьянами, его система препятствовала развитию эволюционных идей.
Бюффон критиковал классификацию Линнея на том основании, что роды и виды — это не объективные вещи, а всего лишь названия для удобного мысленного деления сложной реальности, в которой все классы по краям перетекают друг в друга; вне разума не существует ничего, кроме индивидуумов; это был старый средневековый спор между реализмом и номинализмом. Линней (доказав, что он человек) ответил, что нельзя позволять красноречию Бюффона обманывать мир, и отказался есть в комнате, где портрет Бюффона висел вместе с его собственным. В более дружелюбный момент он признал, что его система несовершенна, что классификация растений по половому аппарату оставляет много неясных моментов; и в «Philosophia botanica» он предложил «естественную» систему, основанную на форме и развитии органов растения. Его номенклатура, отличная от его классификации, оказалась очень удобной как в ботанике, так и в зоологии, и с некоторыми изменениями она до сих пор преобладает.
В преклонном возрасте Линнея почитали во всей Европе как принца ботаников. В 1761 году король посвятил его в рыцари, и он стал Карлом фон Линнеем. Десять лет спустя он получил любовное письмо от второго по известности автора столетия, Жан Жака Руссо, который перевел «Philosophia botanica» и нашел в ботанике лекарство от философии: «Примите, любезный сударь, почтение от очень невежественного, но очень ревностного вашего ученика, который в значительной степени обязан размышлениям над вашими трудами тем спокойствием, которым он наслаждается… Я почитаю вас и люблю всем сердцем».
Линней, как Руссо и Вольтер, умер в 1778 году. Его библиотека и ботанические коллекции были куплены у его вдовы Джеймсом Эдвардом Смитом, который вместе с другими (1788) основал Лондонское Линнеевское общество, чтобы заботиться о «сокровищах Линнея». Из этого центра длинная серия публикаций распространила работы ботаника по всей Европе и Америке. Гете называл величайшими авторитетами в своей умственной жизни Шекспира, Спинозу и Линнея
