Nel 1945 rientra a Roma come Professore di Patologia chirurgica presso l'Università la Sapienza. Nel 1948 presenta all'Accademia medica di Roma i primi casi operati per tetralogia di Fallot. Successivamente opera in ipotermia prima a cuore chiuso e poi a cuore aperto e, dal 1956, in circolazione extracorporea. Nel 1951 al Congresso di Chirurgia Toracica a Torino presenta la relazione sugli interventi radicali praticati per carcinoma dell'esofago e del cardias. Allo stesso periodo risalgono anche gli interventi per ipertensione portale e le procto-colectomie totali in un tempo, fra le prime al mondo dopo quelle presentate da Mark M. Ravitch. Nel 1952 pratica il primo intervento europeo, secondo nel mondo, di trasposizione del midollo spinale per gibbo da morbo di Pott. Vanno ricordati inoltre tutti quegli interventi di chirurgia endocrina, neurochirurgia e di tutta quella chirurgia addominale (gastro-enterica, epatica, pancreatica, renale) alla quale egli ha apportato tante novità e perfezionamenti tecnici. Nel 1959 diventa Direttore della Clinica chirurgica, rimasta più o meno nelle condizioni nelle quali l'aveva creata Francesco Durante e pertanto non all'altezza dell'innovativa tecnica chirurgica del medico triestino. Valdoni, anche per il suo prestigio personale, ottiene dal Ministero dei lavori pubblici un finanziamento speciale per la costruzione della nuova Clinica. Quando quest'ultima, all'inizio degli anni '60, entra in funzione si dimostra essere un vero modello di funzionalità. Era dotata di 400 letti, di 10 sale operatorie, di 4 sale per la chirurgia sperimentale, di una biblioteca aperta fino alle 20 e dei primi endoscopi. In questa nuova esperienza Valdoni comprende il ruolo che le moderne tecnologie diagnostiche stanno assumendo sempre di più in quegli anni e realizza all'interno della sua Clinica una moderna radiologia con tre sezioni diagnostiche, di cui una angiografica e un centro di medicina nucleare. Qui vengono eseguite le prime aortografie e splenoportografie del Policlinico Umberto I. Il medico triestino cura molto la documentazione iconografica con la realizzazione di un laboratorio fotografico e cinematografico nel quale sono realizzati i primi film scientifici e un laboratorio di disegno chirurgico affidato all'architetto Vittorio Fornasari. Valdoni eccelle in ogni campo della chirurgia ed è promotore, insieme ad Achille Mario Dogliotti, di Torino, della cardiochirurgia in Italia. Pone su solide basi tecniche e fisiopatologiche la chirurgia epatobiliopancreatico, digestiva, oncologica, toracica e vascolare. Raccoglie la sua esperienza ne "L'Atlante di Tecniche Operatorie", testo esemplare per chiarezza ed essenzialità, pubblicato con Felice Virno e Vittorio Fornasari, e tuttora edito negli Stati Uniti.