Den 5. juni 1875 mottok han doktorgrad på en avhandling om sårlære og studerte derpå et par år i utlandet. Den 5. mai 1878 ble han professor i anatomi, histologi og embryologi og overtok ledelsen av Anatomisk institutt (UiO) etter Joachim Andreas Voss. Jacob Munch Heiberg var i 1881 den eneste av kollegene på medisinsk fakultet, som stemte for å la kvinner få studere, de fikk retten endelig i 1884. I 1884 var Heiberg medstifter av Norsk Kvinnesaksforening. Fra 1884 utga han tidsskriftet «Biologiske meddelelser», og samme året fikk han i stand (sammen med sin svoger, sanitetsgeneral Johan Fredrik Thaulow) byens nye Samaritanerforening. Han ble syk og sluttet den 27. februar 1887, ett år før han døde, lederrollen overtatt av Gustav Adolph Guldberg.