Po 19 latach spędzonych na zesłaniu Wałecki został zwolniony na mocy amnestii i w 1857 wyjechał do Lublina, a następnie do Warszawy. Podjął pracę w Gabinetach Zoologicznym i Mineralogicznym, początkowo jako wolontariusz. W 1860 objął posadę pomocnika dyrektora, a od 1860 kustosza Gabinetu Mineralogicznego Szkoły Głównej Warszawskiej (później Uniwersytetu Warszawskiego).
Główną specjalnością Antoniego Wałeckiego była ichtiologia, której był biegłym znawcą. Został nazwany „ojcem polskiej ichtiologii”, uznany twórcą podwalin polskiego rybactwa. Wprowadził do polskiej literatury dawne nazwy ludowe i wiele nowych zwyczajowych nazw ryb, z których liczne zostały powszechnie przyjęte. Napisał ponad 130 publikacji. Pisał też drobne artykuły sprawozdawcze, informacyjne i krytyczne. Był współpracownikiem pierwszej Encyklopedii Orgelbranda, współpracował z czasopismem Wszechświat. Zajmował się też edukacją młodzieży. W 1893 przeszedł na emeryturę.