I 1859-1860 hadde Thomsen vikariert et års tid i kjemi for professor Scharling, i 1864-1865 var han lærer i kjemi ved Københavns Universitet, i 1865 ble han ekstraordinær dosent og endelig i 1866 professor ordinarius i kjemi og bestyrer av universitetets kjemiske laboratorium, et embete han hadde inntil 1901. Først ved denne ansettelse fik han til sin rådighet et passende lokale og øvrige hjelpemidler for de eksperimentelle termokjemiske undersøkelser, som han fortsatte med stor energi i over 20 år. Resultatene ble meddelt i en rekke avhandlinger, som i årene 1869-1873 fremkom i Videnskabernes Selskabs skrifter og i Poggendorffs , fra 1873 i og i .