Ông trở về nước làm giáo sư giảng dạy tại Trường Đại học Y khoa Hà Nội suốt trong khoảng thời gian từ 1949 đến 1954. Ông cũng kiêm nhiệm chức Giám đốc Bệnh viện Yersin tại Hà Nội. Cũng trong những ngày ấy, Quân đội Quốc gia Việt Nam được thành lập, ngành quân y Việt Nam cũng khởi đầu và ông đảm trách chức vụ Phó giám đốc Trường Quân y.

Năm 1954, ông cùng gia đình di cư vào nam và trở thành Giám đốc Bệnh viện Bình Dân, mới được xây cất xong tại đường Phan Thanh Giản, Sài Gòn. Ông cũng là Trưởng khoa Ngoại tại Bệnh viện Bình Dân.

Ngày 11 tháng 5 năm 1955 Đại học Hỗn hợp Pháp Việt được người Pháp trao trả lại cho Việt Nam và bác sĩ Phạm Biểu Tâm được cử làm khoa trưởng người Việt đầu tiên của Trường Đại học Y Dược (Faculté Mixte de Médecine et Pharmacie).

Năm 1963 ông đã được mời làm Viện trưởng Viện Đại học Sài Gòn nhưng đã từ chối, và nhất quyết ở lại với Trường Y khoa để tiếp tục chương trình đã theo đuổi từ nhiều năm. Nhưng đến ngày 31 tháng 1 năm 1967, vì nhiều lý do, ông đã quyết định từ nhiệm chức vụ khoa trưởng, và chấm dứt một trọng trách đã đảm nhiệm suốt 12 năm.

Sau 30 tháng 4 năm 1975, ông vẫn ở lại cộng tác với chính quyền mới, tiếp tục giảng dạy trong những điều kiện khó khăn hơn rất nhiều do hoàn cảnh đất nước bị cô lập.