I 1855 ble han utnevnt til professor ved ETH i Zürich hvor han ble til 1867. Her arbeidet han i en periode med å bedre forståelsen av elektrolyse og foreslo at molekylene som bidro, kunne løse seg opp i mindre enheter. Dette var lenge før man hadde noen teori for hvordan molekyler var oppbygd av atomer. Clausius undersøkte på denne tiden også faseoverganger og fikk navnet sitt knyttet til det som i dag kalles Clausius-Clapeyron-ligningen som tidligere var etablert av den franske fysiker Clapeyron. Etterhvert gikk hans forskningsarbeid i retning av kinetisk teori hvor han innførte det sentrale begrepet midlere fri veilengde.