Năm 1967, sau khi tốt nghiệp Thánh Kinh Thần học viện Nha Trang, ông được bổ nhiệm về Ban Phát thanh Tin Lành. Năm 1968, ông sang Canada theo học tại Trường Kinh Thánh Canada, rồi Chủng viện Thần học Gordon-Conwell, Hoa Kỳ. Năm 1973, ông nhận học vị Thạc sĩ Thần học (M. Div.).[3] Mặc dù được khuyến khích tiếp tục công việc nghiên cứu, ông từ chối, vì "chỉ muốn về nước để hầu việc Chúa giữa vòng đồng bào, vì nếu trong lúc anh chị em khó khăn, nguy khốn mình không ở với họ thì lúc hanh thông biết khuyên dạy họ điều gì."

Năm 1973, ông đảm trách chức vụ Chánh văn phòng Tổng Liên Hội, Hội thánh Tin Lành Việt Nam. Đầu năm 1975, Mục sư Phạm Xuân Thiều được bổ nhiệm Giám học và giảng dạy tại Thánh Kinh Thần học viện Nha Trang. Sau khi Thần học viện ngưng hoạt động từ năm 1976, ông và gia đình dời về cư trú ở Nhà thờ Tin Lành Nha Trang. Đến năm 1982, ông được mời làm phó quản nhiệm Nhà thờ Nha Trang.[2]

Năm 1988, Mục sư Phạm Xuân Thiều được mời ra Hà Nội giảng dạy cho Trường Kinh Thánh của Hội thánh Tin Lành Việt Nam (Miền Bắc). Sau khi hoàn tất khóa học, năm 1993, ông trở về Nha Trang rồi vào Thành phố Hồ Chí Minh để chữa bệnh.[3]