Sau khoảng thời gian dài tu học, ngày 6 tháng 6 năm 1949, Phó tế Phạm Đình Tụng được thụ phong chức Linh mục tại Nhà thờ chính tòa Hà Nội và được cử về làm Tuyên úy Cô nhi viện Têrêsa tại Quần Ngựa, do linh mục người Pháp là Léon Seitz Kim làm giám đốc.[6] Trước khi được cử hành nghi thức truyền chức linh mục, vị linh mục tân cử mất đi người mẹ của mình. Khi hay tin con trai sắp được truyền chức linh mục, bà đi thuyền từ Phát Diệm đến Hà Nội để mua áo lễ và chén thánh cho con. Bất chấp nguy hiểm của thời chiến, con đường đi lại chính yếu tại thời điểm giữa Phát Diệm và Hà Nội là những chiếc canô. Trên hành trình này, mẹ Phó tế Phạm Đình Tụng trúng một phát đạn khi ca nô di chuyển trên sông tại khu vực gần Ðò Lèn. Bà qua đời và xác cũng không được tìm thấy.[7]

Sau khi được truyền chức, linh mục Phaolô Phạm Đình Tụng tình nguyện đến trợ giúp các trẻ em mồ côi tại Cô Nhi Viện Têrêsa do linh mục Seilz Kim thành lập. Năm 1950, linh mục Tụng được bổ nhiệm đảm trách vai trò linh mục phó giáo xứ Hàm Long, Hà Nội.[4] Ngày 18 tháng 4 năm 1950, linh mục Tụng trở thành linh mục chánh xứ giáo xứ này, kế nhiệm linh mục Giuse Maria Trịnh Như Khuê được chọn làm Giám mục Đại diện Tông Tòa Hạt Đại diện Tông Tòa Hà Nội (Địa phận Hà Nội).

Nhằm giúp đỡ các nạn nhân nghèo khổ do chiến tranh, vốn từ các vùng nông thôn đến Hà Nội, linh mục Phạm Đình Tụng cho thành lập nhà tế bần Bạch Mai vào năm 1953.[3] Một năm sau đó, vấn đề di cư miền Nam, rất nhiều linh mục trong địa phận Hà Nội di cư vào Nam. Linh mục Phạm Đình Tụng từng hai đến ba lần đi theo giáo dân giáo xứ vào Nam, lo liệu và giúp đỡ họ trong thời gian định cư, nhưng sau đó lại trở về phục vụ giáo dân tại Hàm Long.[7]

Quyết định không di cư vào Nam, năm 1955, linh mục Phạm Đình Tụng được bổ nhiệm làm giám đốc Tiểu Chủng viện Thánh Gioan Hà Nội – một tiểu chủng viện liên giáo phận với khoảng hơn 200 chủng sinh thuộc hầu hết các giáo phận ở Miền Bắc lúc bấy giờ.[3] Vì muốn bảo vệ sự độc lập của giáo hội Công giáo trong lãnh vực đào tạo giáo sĩ, ông đã cùng các vị có trác nhiệm ra quyết định cho các chủng sinh về lại các giáo phận của mình, chấp nhận giải tán tiểu chủng viện vào năm 1960.[8]