翁文灏于1913年获得比利时鲁汶大学博士学位后，导师盖生要他留校担任助教工作。但他考虑到祖国急需地质人才，国内只有两名比他先期回国的地质专门人才丁文江（1887—1936）和章鸿钊（1887—1951），这么大的国家只有两个人搞地质怎么行。强烈的爱国思想驱使他放弃在国外的优厚待遇，于1913年初回到阔别多年的家乡——鄞县。
在他的长诗《五个自述》中反映了他决心回国，为祖国的地质事业献身的心情。诗曰：
谢绝私交厚薪给，愿为地学启朝暾。
吴兴泰兴具同志，筚路蓝缕何足论。
（吴兴指章鸿钊；泰兴指丁文江）
由于当时中国地质人才奇缺，中国地质科学奠基人丁文江、章鸿钊于1913年在地质研究所创办了一个地质培训班，共招收了22名学员。当丁、章二人正为缺少教员而苦恼时，得知翁文灏已经学成回国的消息，他们马上邀翁文灏来北京任教。1913年春节后，翁文灏接受了他们的邀请来到北京地质研究所任讲师。由于他治学严谨，科研成果多，学术水平高，教学效果好，很快就晋升为教授，或为我国首位地质学教授。
他先后担任了《地质学》《矿物学》和《岩石学》3门课程的主讲任务。讲课没有教材不行，他只好自己动手，编出了《地质学讲义》一书。该教材为手写石印本，共45页，10幅插图，内容包括矿物岩石章、历史地质章、地球构造章、地貌章及地下水章，这是我国公认的第一本比较系统的地质学教材。
他讲课认真生动，富有情趣，因而深受学生欢迎。他在课堂上经常提出一些思考题，供同学们在课堂上讨论，这样可以启发学生们的想象力，调动同学们的积极性和培养他们的表达能力，最后再给同学们归纳总结并加以点评。
他讲课生动形象，当讲到地球内部结构时，他手里拿着一个半生不熟的切开的鸡蛋走上讲台。对此同学们大惑不解。有人说：“讲地球，拿来鸡蛋干什么。”
还有人说：“天天都吃鸡蛋，还用讲吗？”
在学生们议论正激烈高兴的时候，翁文灏开始讲课了。
他说：“地球的内部结构就像这个鸡蛋一样，可分为三层：即蛋壳、蛋白（清）和蛋黄，蛋壳相当于地壳、蛋清相当于地幔、蛋黄相当于地核。地壳非常薄，平均厚度只有33公里；地幔比较厚，有2 900多公里；地核特别厚，有3 400多公里，而且还分为内核和外核，外核是液态的，就像这个没有煮熟的蛋黄一样。”翁文灏用鸡蛋的内部结构比喻地球内部结构，使同学们听起来感到很新颖，而且也非常直观，便于理解。
地质学是一门实践性非常强的学科，翁文灏教授就经常带同学们到华北、华南各省实习和进行地质旅行。每到一地后，他先让学生自己看地质现象，把所见到的各种石头（矿石、宝石、玉石和化石等）和种种断裂进行观察和鉴定，然后把学生集中起来，让他们自己把所见所闻及各种见解、疑问都发表出来，最后由老师讲解对在哪里，错在何处。通过室内的理论学习和野外的地质实习，同学们真正学到了本领，使他们成为我国第一批自己培养出来的地质学家。例如，后来在北京大学地质系任主任的谢家荣（1898—1966）教授、谭锡畴（1892—1952）教授、中央大学（现南京大学）地质系主任李学清（1892—1971）教授、中央研究院地质研究所研究员叶良辅（1894—1949）、李捷，地质调查所技正（相当于教授）、周赞衡、玉竹泉（1891—1975）、两广及贵州、浙江地质调查所所长朱庭祐（1895—1984）教授等20多位著名的地质学家。
这些人经过3年的学习，于1916年毕业，挑起了全国地质矿产调查的大梁。而且每个人都可以独当一面，开展一个省的地质调查工作。当这些人毕业后就正式成立了地质调查所，真正地开展了全国的地质矿产调查工作。从此正式揭开了我国自己开展地质调查工作的序幕，结束了依靠洋人的时代。
在开展全国的地质调查中，鉴于每省还分不到一个地质工作者的情况，当时就任地质调查所所长的翁文灏又开始在清华大学筹建地质系，继续培养地质学人才。他亲自担任系主任，设立了地理、地质、气象等学科，其培养范围不仅覆盖了地质，而且扩大到地理和气象，培养地球科学方面的人才，这在当时是非常有远见卓识的英明之举。
根据地质学的特点，翁文灏为地质学系制订了实践性非常强的教学实习计划。第一年为短距离的野外地质实习，到北京市郊区观看三家店至门头沟的地质剖面，到温泉、八达岭等地进行地质旅游。第二年暑期进行地形测量和地质剖面测量；地形测量安排在青岛及山西晋祠西山，地质剖面测量在北京西山。第三年春天作长距离的野外考察，如到山西太原、五台山、大同，湖南衡山、常宁水口山、山东济南、张夏、泰安、大汶口等地。第三年夏季从事专业调查，如参加北京西山的地质填图，为毕业论文搜集资料等。各种课本及参考书绝大多数为外文版本，英语为第一外国语，德、法、日等语种任选一门作为第二外国语，但第一、第二外国语均为必修考试课程。可见当时翁文灏对大学生外国语要求是非常高的。
翁文灏认为“名师出高徒”，于是他聘请了一大批在国内外享有盛誉的学者到清华大学任教，例如美国著名的地质学教授葛利普（1870—1946），德籍教授高均德，以及袁复礼（1893—1981）、熊庆来（1893—1969）、谢家荣、冯景兰（1898—1976）、张席禔（1898—1966）、斯行健等著名的地质学教授。
在搞好课堂教学的同时，翁文灏还规定高年级学生可作为中国地质学会会友参加年会活动，聆听不定期学术报告和全校性公开的学术报告。例如请北京猿人的发现者裴文中（1903—1982）教授作“北京猿人发掘经过”的报告、请袁复礼教授作“西北科学考察经过”的报告，都大大提高了在校生学习地质学的兴趣。
在学籍管理方面，翁文灏实行了淘汰制，实行“严进严出”。这种制度既不同于西方实行的大学生“宽进严出”，也不同于目前国内实行的“严进宽出”。当时清华大学在全国招收尖子生，进校后实行淘汰制，对成绩不合格的学生实行留级、退学、肄业等处理，所以到大学毕业时每班只剩下几名优秀学生。清华大学地学系从1929年开办到1937年停办，共招收7届学生，总共只有45名学生拿到毕业证书，可见那时对培养学生的要求是何等之高。
由于翁文灏创办清华大学地学系所表现的卓越贡献和极高的组织才能，还有国内外著名学者的声望，当1931年吴南轩因病辞去清华大学校长职务的时候，南京政府教育部很快就任命翁文灏为清华大学代理校长。
