Tronstad tok doktorgraden (dr.techn) i kjemi med avhandlingen i 1931. Deretter arbeidet han som dosent ved NTH. I 1936 ble han utnevnt til professor i teknisk-uorganisk kjemi. Han var da en av landets yngste professorer. I 1933 hadde Tronstad kontaktet Norsk Hydro med henblikk på å utvikle tungtvannsproduksjon ved Hydros anlegg på Vemork. Han var sentral i oppbyggingen av anlegget, og han var i den forbindelse engasjert av Hydro som vitenskapelig konsulent.