Sau quá trình tu học dài hạn, Nguyễn Sơn Lâm tiến đến việc được truyền chức linh mục vào ngày 29 tháng 6 năm 1957. Buổi lễ truyền chức cử hành tại Nhà thờ chính tòa Đức Bà Sài Gòn, với nghi thức truyền chức cử hành bởi giám mục Đại diện Tông Tòa Hạt Đại diện Tông Tòa Sài Gòn Simon Hòa Nguyễn Văn Hiền. Sau khi được truyền chức linh mục, với hai năm quân dịch, linh mục Lâm ông được bổ nhiệm làm Tuyên úy trại Trần Hưng Đạo, quản lý tờ báo Tinh Thần - đặc san Công giáo của Quân đội Việt Nam Cộng Hòa. Ngoài ra, ông còn là thành viên tích cực của nhóm "Hoạt động văn hóa".[5] Năm 1959, linh mục Lâm được cử đi du học Pháp, sau đó du học Rôma. Một năm sau đó, năm 1960, ông gia nhập Tu hội Xuân Bích.[9]

Sau khi du học Rôma và tốt nghiệp với các bằng cử nhân thần học năm 1961 và tiến sĩ triết học năm 1963[3] (hoặc 1964),[5] linh mục Nguyễn Sơn Lâm về Việt Nam năm 1964, đảm trách vai trò Giáo sư tại Đại Chủng viện Xuân Bích Vĩnh Long. Chỉ hai năm sau, ông được chọn đảm trách vị trí Giám đốc Đại Chủng viện Xuân Bích tại Kim Long, Huế.[5][9] Vì hoàn cảnh chiến tranh, nhiều lần chủng viện sắp xếp cho các linh mục giáo sư và chủng sinh di tản, Nguyễn Sơn Lâm đều quyết định ở lại, với câu nói quen thuộc tôi ở lại giữ nhà.[7] Giám mục Lâm là người quản lý Đại chủng viện trong giai đoạn chiến sự ác liệt, với các chiến dịch quân sự Tết Mậu Thân 1968, Mùa hè đỏ lửa 1972...[5]