En 1940, peu de temps après son retour d’Europe, Pierre Dansereau fait ses premières armes aux côtés du frère Marie-Victorin au Jardin botanique de Montréal. C’est ainsi qu’il est nommé botaniste puis assistant directeur du Jardin, poste qu’il occupera jusqu’en 1942.
En 1943, il est nommé directeur du Service de biogéographie du Québec, situé à l’Université de Montréal (où il enseigne depuis 1940), fonction qu’il occupera jusqu’en 1949. C’est au retour d’un séjour aux États-Unis, en 1955, qu’il se voit offrir le poste de doyen de la Faculté des sciences et directeur de l’Institut botanique de cette même université. Il occupe ce poste jusqu’en 1960; après avoir été critiqué par l’Université et le gouvernement Duplessis pour son implication dans le mouvement politique le Rassemblement, il quitte ses fonctions et part pour les États-Unis. Son départ soulève un tollé de protestations de la part de ses étudiants.
De 1961 à 1968, Pierre Dansereau occupe les fonctions de sous-directeur et conservateur du réputé Jardin botanique de New York. Il est accompagné notamment de Virginia Weadock, sa fidèle secrétaire et assistante de recherche, avec qui il collaborera pendant près de 50 ans. C’est lors de son séjour à New York que Pierre Dansereau entame ses recherches sur l’écologie urbaine.