Amalie Buchheim darf als erste Archäologin in Deutschland gelten, die eine bezahlte wissenschaftliche Tätigkeit ausübte. Als mithelfende Familienangehörige ist sie in ihre Lebensstelle als Custodin für die beiden Schweriner Altertumssammlungen, das Großherzogliche Antiquarium und die Sammlung des Vereins für Meklenburgische Geschichte und Altertumskunde, hineingewachsen. Offiziell hatten zuerst ihre Eltern diese Stelle inne und bezogen dafür ein Gehalt vom Großherzoglichen Hof in Schwerin. Bereits als junge Frau hatte ihr Vater, der Hofküster Wilhelm Buchheim, sie aber in der Betreuung des Antiquariums eingewiesen. Nach dessen Tod 1841 übernahm sie die Tätigkeit vollständig, auch wenn ihre Mutter offiziell als Custodin geführt wurde. Die Festanstellung vom Amalie Buchheim erfolgte erst nach dem Tod der Mutter 1860. Zeitlebens war die Höhe des Gehaltes ein bestimmendes Thema für Amalie Buchheim, da es kaum zum Leben ausreichte. Im Landesarchiv Mecklenburg-Vorpommern sind mehrere Briefe ihrer Mutter, von ihr selbst wie auch ihres ersten Vorgesetzten Archivrat Dr. Friedrich Lisch erhalten, in denen um Gehaltserhöhungen und einmalige Zahlungen für die Custodin gebeten wurde. Erst mit 63 Jahren erreichte ihr seit 1853 direkt an sie selbst ausbezahltes Gehalt eine Höhe, dass Amalie Buchheim zur Wahrung eines bescheidenen Lebensstils nicht mehr im Nebenerwerb Näharbeiten übernehmen musste.

Ihre Tätigkeit als Custodin umfasste die Inventarisierung von Neueingängen in den beiden Schweriner Sammlungen, die Restaurierung besonders der prähistorischen Objekte, die Magazinierung von Fundmaterial sowie die fachkundige Führung von Besucher*innen. Damit prägte sie umfänglich den Beginn der Altertumskunde und des Museumswesens in Mecklenburg-Vorpommern mit.

Amalie Buchheim erlebte in ihrer langen Dienstzeit mehrere Umzüge der Sammlungen. 1835 wurde die Großherzogliche Sammlung von Ludwigslust nach Schwerin gebracht. In den neuen Museumsräumen fand auch ab 1844 – allerdings deutlich voneinander getrennt – die zuerst im Schweriner Schloss untergebrachte Sammlung des ebenfalls 1835 gegründeten Vereins für Meklenburgische Geschichte und Altertumskunde ihren Platz. Unter der Leitung des Archivrat Dr. Friedrich Lisch wurde diese Sammlung als erste in Deutschland nach chronologischen Kriterien im Dreiperiodensystem (Stein-, Bronze- und Eisenzeit) sortiert. Die Verschmelzung der beiden Sammlungen anlässlich des Umzuges in den Neubau des Großherzoglichen Museums 1880 bis 1882 war auch Anlass für den Rücktritt Friedrich Lischs von der Sammlungsleitung und der Übernahme des Amtes durch den Gymnasiallehrer Dr. Robert Beltz. Umzug und Neuausrichtung der Sammlung war damit gemeinsame Aufgabe von Beltz und Buchheim geworden. Wenn auch Amalie Buchheim bis zu ihrem Tode die Stelle der Custodin innehielt, ist ab 1885 ein Rückzug ihrerseits aus der Museumstätigkeit zu verzeichnen.

Amalie Buchheim selbst publizierte ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse nicht, aber teilte ihre Beobachtungen mit Friedrich Lisch, der sie in seinen Artikeln als Urheberin mancher Bemerkungen zu prähistorischen Objekten nannte. Ihr Ruf als gelehrte Frau verbreitete sich durch Fachkolleg*innen, die sie bei Besuchen in Schwerin kennen lernten. Im wissenschaftlichen Austausch stand sie mit Heinrich Schliemann, Alphons de Morlot und Matthäus Much, wie es anhand namentlicher Würdigungen in deren Schriften sowie erhaltenen Korrespondenzen belegt ist. Weitere Briefwechsel können noch unentdeckt in den Archiven Europas liegen.