陈天池回到中国，应老师杨石先教授邀请，赴南开大学任教。1951年至1968年，任南开大学化学系教授、分析化学教研室主任、副系主任。陈天池主要研究有机磷化学，为中国有机磷农药的发展起到了促进作用。1958年，在杨石先教授指导下，陈天池建立了“敌百虫”和“马拉硫磷”两个农药车间。1960年至1962年，任南开大学物理二系党总支书记兼系主任。1962年10月，杨石先在南开大学建立了高等院校中第一个化学专业研究机构——元素有机化学研究所，具体工作由陈天池主持。1962年至1968年，陈天池任南开大学元素有机化学研究