Sau quá trình tu học, Tôma Nguyễn Văn Tân được thụ phong linh mục ngày 21 tháng 1 năm 1969 tại Nhà thờ chính tòa Vĩnh Long.[2][3][5] Kể từ khi tốt nghiệp Giáo hoàng học viện Thánh Piô X, ông được bổ nhiệm làm giáo sư Tiểu Chủng viện Vĩnh Long và đảm nhận vai trò này trong thời gian ngắn từ năm 1970 đến 1971.[2] Sau đó, linh mục Tân được cho đi Roma du học tại Ðại học Giáo hoàng Gregoriana tháng 9 năm 1971 và tốt nghiệp Tiến sĩ Thần học về Hy tế.[2][3] Sau khi về nước tháng 3 năm 1974, ông được bổ nhiệm làm Giáo sư Ðại chủng viện Vĩnh Long.[2]

Năm 1975, Nguyễn Văn Tân gặp nhiều điều khiến ông đau khổ: người anh và những người thân quen đã qua đời, các linh mục bằng hữu bị đưa đi cải tạo. Nhà thờ bị đóng cửa, nhiều người di tản. Riêng giáo phận Vĩnh Long mất mảnh đất nhà chung, nhà nguyện, gây tổn thất khá lớn cho giáo phận. Hai lần linh mục Tân trở về quê để cử hành lễ an táng cha mẹ tại nghĩa trang Công giáo (thường gọi là Đất Thánh) của họ đạo Bãi Xan. Sau này khi đã trở thành giám mục, mỗi năm, ông đều về thăm quê nhà hai lần cử hành thánh lễ cầu nguyện cho tổ tiên.[3]

Ngày 7 tháng 9 năm 1977, chính quyền tỉnh phong tỏa, khám xét Thánh Giá Học Viện trên đường đường Phạm Thái Bường (tên cũ là Khưu Văn Ba), dòng Thánh Phaolô và Đại chủng viện giao phận Vĩnh Long. Sau cuộc khám xét này, chính quyền đã thu hồi và sau đó tiếp quản toàn bộ cơ sở, tài sản và cho điều tra những người phụ trách trong số đó có linh mục Nguyễn Văn Tân. Nói về ngày này trong một bức thư gửi tín hữu năm 2008, ông nhận định đây là ngày đại nạn của giáo phận Vĩnh Long.[6]

Nguyễn Văn Tân phụ trách nhà thờ chủng viện trong khoảng thời gian từ năm 1980 đến năm 2000. Ngoài ra, ông còn đảm nhận công việc giáo sư ngoại trú môn Thần học Luân lý của Đại chủng viện Thánh Quý tại Cái Răng, Cần Thơ trong giai đoạn từ cuối năm 1988 đến năm 2000.[7] Song song với các công việc trên, từ năm 1992 đến năm 2000, linh mục Tân phụ trách quản nhiệm các lớp Tiểu chủng viện của giáo phận Vĩnh Long.[2]