Sau quá trình tu học, ngày 7 tháng 6 năm 1941, Phó tế Phạm Tần được thụ phong linh mục. Sau khi được truyền chức linh mục, tân linh mục Tần được bổ nhiệm đảm nhận vai trò giáo sư và linh hướng của Tiểu Chủng viện Ba Làng kể từ năm 1942.[9] Trong khoảng thời gian hai năm từ năm 1945, giám mục địa phận cử linh mục Phạm Tần đảm nhận vai trò làm linh mục phó xứ Giáo xứ Ba Làng. Năm 1947, ông được bổ nhiệm đảm nhận vai trò linh mục chánh xứ Giáo xứ Phúc Lãng. Thời kỳ đảm nhận vai trò này, linh mục Phạm Tần quan tâm cải thiện đời sống người dân không phân biệt tôn giáo.[7] Tại giáo xứ, ông thiết lập các nhà máy giấy, nhà máy in, xưởng dệt, xưởng làm nón và cho ra đời báo Chân Lý để giáo huấn giáo dân cả về đời sống lẫn tôn giáo. Các nhà máy ông thành lập đã tạo nhiều việc làm cho người dân.[10]

Nói về tờ báo Chân Lý, cuốn Việt Nam Giáo sử Quyển II của linh mục Phan Phát Huồn cho rằng với tinh thần của linh mục Phạm Tần, tờ báo có sứ mạng đề cao văn hóa Công giáo, chống lại sự bóp nghẹt về văn hóa trong chế độ Cộng sản.[11] Nhà máy sản xuất giấy của linh mục Phạm Tần cung cấp giấy trong phạm vi toàn tỉnh. Xưởng dệt do ông thiết lập ngoài cung cấp đủ lượng vải cho người dân, còn đủ cung ứng cho các làng lân cận. Nhờ xưởng dệt, các công việc có liên quan như trồng bộng lấy sợi, thu lượm lá nón và đào tạo người dân cách làm nón lá.[10] Nhờ những cố gắng của linh mục Phạm Tần, đời sống người dân quanh vùng giáo xứ Phúc Lãng ấm no và ổn định. Năm 1952, ông cho khởi công tái thiết nhà thờ Phúc Lãng với 7 gian.[12]

Sau 5 năm đảm nhận vai trò linh mục chính xứ Phúc Lãng, từ năm 1952 đến năm 1954, linh mục Tần đi học tập cải tạo.[7][9] Sau khi trở về, ngày 24 tháng 3 năm 1954, ông được Giám mục Louis de Cooman Hành bổ nhiệm giữ chức Linh mục Tổng quản Địa phận Thanh Hóa.[9] Giám mục Hành chính thức phải hồi hương ít tháng sau đó, vào ngày 21 tháng 6. Các linh mục giáo phận phần lớn phải đi cải tạo và các việc mục vụ đổ dồn về linh mục Tổng quản. Sau khi hiệp định Giơ-ne-vơ ký kết vào cuối tháng 7 năm 1954, một số lượng lớn linh mục, tu sĩ và giáo dân đã di cư vào Nam. Điều này khiến các cơ sở đào tạo cũng như hội dòng tại giáo phận phải đóng cửa.[7] Sau khi được bổ nhiệm chức Tổng quản, linh mục Tần tổ chức đi thăm mục vụ địa phận. Tính đến năm 1955, địa phận chỉ có 30 linh mục.[13]

Số giáo dân năm 1954 ước lượng vào khoảng 100.000 và tổ chức thành 45 giáo xứ,[14] số giáo dân di cư vào khoàng 15.000 và 60 linh mục phân tán khắp miền Nam Việt Nam, theo Việt Nam Giáo sử Quyển II của Phan Phát Huồn.[11] Trong bối cảnh khi không chỉ riêng giáo phận Thanh Hóa, các giáo phận miền Bắc Việt Nam như Hải Phòng, Bùi Chu, Phát Diệm,... không chỉ có linh mục mà giám mục địa phận cũng quyết định di cư, linh mục Phạm Tần quyết định ở lại giáo phận với sự hỗ trợ mục vụ của bảy đến tám linh mục trẻ tuổi.[15]

Bản tin của Catholic News Service ngày 22 tháng 8 năm 1955 báo cáo linh mục Phạm Tần đã bị Việt Minh bắt đi từ ngày 14 tháng 6, ngày mà Chủ tịch Hồ Chí Minh cam kết về tự do tôn giáo.[16][17][18] Lý do linh mục này bị bắt là vì ủng hộ người tỵ nạn đi đến miền Nam và đã tường thuật báo cáo một vụ được cho là hiện ra của Bà Maria (người Công giáo gọi là Đức Mẹ). Trên thực tế, sau khi trở về châu Âu năm 1954, vào thời điểm bản tin kể trên, giám mục Cooman Hành đã trở lại và định cư ở miền Nam Việt Nam do không thể trở lại địa phận Thanh Hóa.[16]