Ngày 15 tháng 12 năm 1936, Bề trên Dòng cử ông sang Hương Cảng học ban Thần học tại tu viện Saint Albert, trong 4 năm. Ngày 31 tháng 08 năm 1939, ông khấn trọn đời thề trung thành với Chúa, với Dòng cho đến chết. Ngày 18 tháng 5 năm 1940, ông được phong chức linh mục tại Đại chủng viện Alberdin, Hương Cảng.

Ngày 24 tháng 08 năm 1940, linh mục Trương Cao Đại được cử sang Manila theo học ban Giáo luật tại Đại học Saint Thomas, đỗ tiến sĩ khoa Giáo luật.

Khi Thế chiến thứ hai đến giai đoạn quyết liệt ở Đông Nam Á, quân đội phát xít Nhật xâm chiếm Philippines, linh mục Trương Cao Đại không thể về Việt Nam như lòng mong ước. Ông phải sơ tán lên giáo phận miền núi Baguio của các thừa sai người Bỉ. Tại đây, ông nhận làm Cố vấn ban Giáo luật cho tòa Giám mục giáo phận Baguio và làm Tuyên úy cho nữ tu Đa Minh thuộc hội dòng Sancta Catharina ở Philippines. Sau khi quân Nhật đánh chiếm miền núi Baguio, ông lại chạy xuống Lingayen (mạn Tây Bắc Manila) tạm trú trong một tu viện Đa Minh, cho đến ngày chiến tranh kết thúc.

Năm 1946, ông được bổ nhiệm trở về Việt Nam với chức vụ giáo sư Giáo hoàng học viện Nam Định. Tuy nhiên, khi ông về đến Hải Phòng vào giữa tháng 12 năm 1946, thì tình hình giữa Việt-Pháp trở nên căng thẳng, có khả năng bùng nổ chiến tranh. Do việc mở lại Giáo hoàng học viện Nam Định không thể thực hiện được, nên sau một thời gian khá lâu lưu trú tại Tòa Giám mục Hải Phòng, ông được cử sang tu viện Đa Minh Hương Cảng vào đầu tháng 11 năm 1948. Tại đây, ông là giáo sư các môn Giáo hội Sử, Giáo hội học, Luân lý học, Mặc Khải luận. Ông còn kiêm chức Thẩm phán tòa án khiếu nại của giáo phận Hương Cảng.

Ngày 8 tháng 1 năm 1953, Tòa thánh cử linh mục Trương Cao Đại, bấy giờ đang giữ chức Phó tu viện trưởng Đa Minh Rosaryhill Hồng Kông, làm Giám mục Hiệu tòa Sila lãnh đạo Giáo phận Hải Phòng, thay thế Giám mục Francisco Gomez (Lễ) từ nhiệm năm 1952. Giám mục Trương Cao Đại là vị Giám mục Việt Nam đầu tiên lãnh đạo giáo phận Hải Phòng.

Lễ tấn phong cử hành tại nhà thờ chính tòa Hồng Kông ngày 19 tháng 03 năm 1953, do Khâm sứ Tòa thánh tại Đông Dương John Dooley chủ phong, Giám mục Ngô Đình Thục và Giám mục Lê Hữu Từ phụ phong.

Ngày 21 tháng 03 năm 1953, ông trở về giáo phận nhận nhiệm sở và bắt tay xây dựng giáo phận: truyền chức cho nhiều tân linh mục, lập Hội đồng giáo phận, cử linh mục Phêrô Mai Bảo Thư làm Bề trên giáo phận, khánh thành trường Kẻ Giảng Quảng Yên và cử linh mục Hoàng Công Độ làm Giám đốc, chuẩn bị việc cải tổ dòng nữ Đa Minh Hải Phòng...