Po powrocie do Gdańska w 1712 Klein zajął się botaniką. Utrzymywał żywe kontakty m.in. z Karolem Linneuszem. Założył ogród botaniczny i szklarnie na Langgarten (obecnie osiedle Długie Ogrody). Uprawiał tam m.in. kawę i udało mu się doprowadzić do jej owocowania, prawdopodobnie jako pierwszemu w Europie. Próbki swojej uprawy przesłał wielu władcom i uczonym europejskim, m.in. Fryderykowi II Wielkiemu, który w czasie swojej podróży do Królewca zatrzymał się w mieszkaniu Kleina w Gdańsku. W ogrodzie uprawiał ok. 340 gatunków i odmian roślin, których wykazy opublikował w kolejnych katalogach z lat 1722, 1724 i 1726. Przy ogrodzie, w oddzielnym budynku, stworzył muzeum przyrodnicze z bogatą kolekcją bursztynów, skamieniałości i zbiorów geologicznych. Zbiór bursztynów, który Klein sprzedał Augustowi III w Dreźnie, uległ zniszczeniu w pożarze w 1849 roku. Pozostałą część kolekcji kupił od Kleina w 1740 roku margrabia z Bayreuth. Klein prowadził także herbarium: jedna z jego części trafiła do Bawarii, inna – do zbiorów Towarzystwu Przyrodniczego w Gdańsku. Niektóre z zasuszonych roślin z Kleinowskich zbiorów zielnikowych zachowały się do naszych czasów w Norymberdze-Erlangen. Później zajmował się głównie zoologią i geologią.