Nach seinen eigenen autobiografischen Aufzeichnungen machte er ausgedehnte Reisen in Europa und Amerika. Nach seiner Rückkehr begann er mit seinen bibliografischen Recherchen in den Bibliotheken von Leipzig, Dresden, Darmstadt, Stuttgart und München, Göttingen, Wien, Zürich und London. Unter dem Pseudonym N. Hay gab er 1875 eine erste Sammlung unter dem Titel Bibliotheca Germanorum erotica, Verzeichnis der gesammten deutschen erotischen Literatur mit Einschluss der Übersetzungen heraus. Dieses Werk hat er vielfach erweitert und ergänzt. Es erschien in weiteren Ausgaben, bis es zu Anfang des 20. Jahrhunderts auf 8 Bände angewachsen war. Band 9, der im Jahre 1929 erschien, ist ein Nachtragsband, herausgegeben von Paul Englisch. Der als Herausgeber mit genannte Alfred Gotendorf war ein Mäzen Hayns und Förderer der Bibliographie. Nachdem Hayn in jüngeren Jahren von einem ihm zuteil gewordenen Erbe seine Reisen bezahlt hatte, verfiel er mit der Zeit immer mehr in Armut, da die Erträge aus dem Verkauf seiner Bücher nicht zur Bestreitung seines Lebensunterhalts ausreichten. Einige Briefe Hayns mit der Bitte um Unterstützung (u. a. an Hermann Sudermann und Victor Ottmann), sind im Deutschen Literaturarchiv Marbach und in der Sächsischen Landesbibliothek Dresden erhalten. Kurz nachdem er das Alter von 80 Jahren erreicht hatte, wurde er tot auf einer Parkbank in Dresden aufgefunden. In einer Zeit, in der strenge Moralvorstellungen herrschten und alles Erotische und Sexuelle tabuisiert wurde, leistete Hugo Hayn Pionierarbeit bei der Erforschung und Erhaltung der Literatur, die sich mit diesen Themen befasst. Seine Bibliographien verzeichnen viele Schriften, die in den offiziellen Buchhandelsverzeichnissen von Kayser und Heinsius nicht zu finden sind. Erst Mitte der 1880er Jahre erfolgte ein Paradigmenwechsel durch die Veröffentlichungen von Richard von Krafft-Ebing, Iwan Bloch und Sigmund Freud, in denen Erotik und Sexualität als seriöse Forschungsgegenstände gewürdigt wurden..