Tornato in patria, frequentò assiduamente l'Istituto di fisiologia di Torino. Nel 1875 fu nominato professore di farmacologia e nel 1879, all'età di 33 anni, successe a Jacob Moleschott alla cattedra di fisiologia, di cui fu direttore per 25 anni. In quello stesso anno l'Accademia Nazionale dei Lincei gli decretò il Premio Reale per l'opera "Sulla circolazione del sangue nel cervello dell'uomo" e tre anni più tardi il Mosso fu nominato socio Nazionale della stessa. Durante il periodo in cui diresse l'Istituto di fisiologia di Torino, ci fu un periodo di grande splendore per la biologia e la fisiologia italiane, infatti attorno al Mosso si radunavano i migliori ricercatori provenienti da tutte le regioni italiane. Egli proseguì le sue ricerche e pubblicò nel corso di questi anni molte tra le sue opere più importanti, tra cui "La paura" (1884), "La fatica" (1891) e "L'uomo sulle Alpi" (1897).