Ngày 14 tháng 5 năm 1960, Phó tế Cao Đình Thuyên được cử hành nghi thức truyền chức linh mục do Giám mục Gioan Baotixita Trần Hữu Ðức chủ sự. Sau khi được truyền chức, vị linh mục trẻ tuổi được bổ nhiệm làm linh mục quản xứ Quy Hậu vào ngày 12 tháng 7 cùng năm. Linh mục Thuyên đã cử hành các nghi thức mục vụ tại giáo xứ miền núi này trong suốt 11 năm.[4]

Ngày 13 tháng 8 năm 1971, linh mục Phaolô Thuyên được chọn đảm nhiệm vai trò quản lý Tòa giám mục. Trong vai trò quản lý Tòa Giám mục, năm 1977, linh mục Cao Đình Thuyên cho khởi công tái thiết nhà thờ chính tòa Xã Đoài. Ba năm sau khi khởi công, năm 1980, linh mục đoàn bầu chọn ông làm linh mục Tổng Đại diện Giáo phận Vinh. Ngoài ra, ông còn kiêm thêm vị trí linh mục Quản hạt của 2 giáo hạt Nhân Hòa và Xã Đoài.[4]