Hagem ble dr.philos. 1917 og utnevnt til professor i alminnelig botanikk 1920 (senere presisert til systematisk botanikk), samtidig som botanisk laboratorium ble egen avdeling. Hagem fortsatte dog sitt virke mye sammen med Torbjørn Gaarder som hadde startet samtidig med Hagem (1912), og ble professor i 1931. Når det gjelder prinsippene bak skogplantingsarbeidet på Vestlandet stod Hagem i faglig disputt med Henrik Printz ved Norges landbrukshøgskole, som i 1933 mente fuktigere klima hadde fortrengt gran og furu. I 1936 etablerte de da også en ny forskningsstasjon i Os, med Gunnar Ålvik som Hagems assistent. Etter krigen forestod han i 1951 utbyggingen av Florida, et botanisk laboratorium. Han ga seg i 1955 for aldersgrensen, etterfulgt av Poul Larsen.