1911年4月，丁文江踏上回国的征途。5月在越南海防登岸，开始了回国后的第一次旅行。他希望看看祖国的山川地貌，考察祖国西南和中南的地质情况。他坐火车直达昆明，穿过云南、贵州、湖南等地。一路上以火车、江船或汽车为交通工具，每到一地就徒步登山，或沿途饱览祖国锦绣山河，或从事民俗地理、地质考察。满怀对地质和矿产资源的极大关切，足迹踏遍了偏远的山区村寨、人迹罕到的高山和峡谷。每到一处，他都作地质记录和地貌地物描述，绘制地质地形图件。
旅行中他带了一本中国地图。在使用中，他发现图上的地形地物与考察的实际情况不符。原来这是一本中国和欧洲人翻印的地图，是以17世纪天主教教士为康熙皇帝准备的地图为底本编制而成的。在当时广泛使用的地图册中，既有乾隆年间武昌舆地学会印制的，也有上海商务印书馆出版的。其实，都是照抄康煕时代的原本。显然，这些地图缺乏地形资料，没有标出偏远山区的地形特征，皇家信使的驿道，当然康熙以后新修建的道路、桥梁，更未能标在图上了。
见此情景，丁文江决心要编出新的中国地图来。20年后，他同翁文灏、曾世英，参考他第一次国内旅行中积累的制图测量资料，共同编辑而成《中国分省新图》，这是中国第一本完整的现代地图册。由中国申报馆于1934年出版。这本图册具有划时代的意义。20世纪50年代，中印边界谈判时，中国政府就是以这本地图册为谈判依据的。
考察结束后，丁文江回家小住了几天，就去北京参加“游学毕业考试”，结果获得“格致科进士”及第。在“衣锦还乡”的途中，到苏州与史久元女士结婚。史女士是一位才貌双全，很有教养的小姐。婚后，他们生活十分美满、幸福，遇事夫唱妇随，配合默契，水乳交融，相亲相爱。美中不足的是他们终生没有子女。
不久，辛亥革命爆发，丁文江谢绝了去南京当共和军司令徐国卿的秘书职务。而以传统乡绅的身份担负起保护家乡的领导工作，在泰兴县组织起地方保卫团，抵御匪徒和散兵们的袭扰。
1912年，丁文江应上海南洋中学校长的聘请，在南洋中学担任化学、地质、动物、英文、西洋史等课的教员。他知识渊博，讲课生动有趣，深受学生欢迎。在讲课中，他将生物的进化论观点编入了《动物学》教材中。当讲地质课时，他还发现该校教师在课堂上只能讲一些像“侵蚀”一类的基本概念，没有矿物、岩石、古生物标本，也没有一张像样的挂图。当时在中国很难找到一本很好的地质教材，他也为此而焦虑。
1911年至1912年冬天，南京政府决定在农商部矿政司下，设立地质科。1913年2月，农商部迁到北京接受统一的共和政府的领导，丁文江应北京政府农商部矿政司司长张轶欧的聘请，任地质科科长（章鸿钊为前任科长）。在丁文江的领导下，地质科发展成为中国地质调查所，直至1921年，他一直担任地质调查所的领导职务。
当时，中国的地质科学还处在萌芽状态，基础很薄弱，人才奇缺。丁文江注意到早在1872年，在江南兵工厂工作的华衡芳，把英国著名地质学家莱伊尔著的《地质学原理》译成中文，但很少有人去读这本书。因为译者不懂地质，翻译过来的名词、概念令人难以掌握。丁文江决心翻译一些地质书籍，以便大家学习地质科学。
旧中国，地质事业无从谈起，地质成果几乎等于零。在丁文江上任矿政司地质科长的1913年，这个科只有3个科员，他们对地质领域的知识是一无所知，就连北京附近西山有一个著名的煤田都不知道，所以当时的地质科只不过是个处理官方公文的机构罢了，哪里谈得上什么地质科学。
作为发展地质科学的引路人，丁文江和章鸿钊致力于创办地质机构，培养地质人才，翻译地质书籍，引进地质学家等等。在矿政司张轶欧的支持下，大胆改革机构，把仅仅是职能机构的地质科，改组为工作机构的地质调查所，同时筹办了地质研究所。丁文江和章鸿钊着手翻译德国学者费迪南·冯·李希霍芬（F.Von Richthofon）的著作，该书是他从1868年起，在我国进行的7次旅行考察后所写成的5卷著作和一册地图集。这是唯一的描述我国大面积领土的参考资料，它为中国地质工作者奠定了大部分地区粗略的地质基础。
然而，李希霍芬曾对中国地质界作过评论：“中国的文人们性情懒惰，他们历来不愿意很快行动。在大多数情况下，他们既为自己的贪心而烦恼，又不能把自己从关于礼节和体面的固有成见中解脱出来。按照他们的观点，步行就是降低身份，从事地质行当在人们心中就是斯文扫地。”
丁文江对李希霍芬的诽谤反应十分激烈。他把李氏这段话收录在他写的《中国地质学会志》第1卷第1期英文序言的开头。在反驳李希霍芬诽谤的同时，又抨击社会上对于地质工作的轻蔑，而丁文江又以身作则，跋山涉水地去做地质调查、找矿、绘制地质图等。
大力培养地质人才。刚刚成立地质调查所的时候，全国没有几个懂地质科学的人，地质工作无法开展。于是丁文江决定：从培养地质人才入手。他同章鸿钊先生一起，办起了以培养人才为任务的地质研究所。1913年10月开学，1916年7月结业，共培养出22名地质毕业生。丁文江、章鸿钊、翁文灏等亲自讲课，为培养我国首批地质人才作出了巨大贡献。
聘请外国地质学家来华工作。丁文江重视吸收外国先进的科学成就，引进外国地质学家来中国进行地质工作。丁文江在地质研究所、地质调查所工作期间，聘请了好几位学有专长，有一定声誉的外国地质学家来华工作。1920年，请了美国地质古生物学家葛利普（A.W.Grabau, 1870—1946）。此人对我国地质古生物事业起了巨大推动作用。他不但在北京大学地质系教学，还兼任地质调查所古生物研究室主任。当代已故著名地质学家高振西（中科院院士）曾经说过：“今日之中国古生物学家，如云铸、杨钟健、斯行健、黄汲清、张席禔、乐森、朱森、陈旭、许杰、计荣森等，直接为葛利普先生之高足，而间接为丁先生所培植”（见《丁文江先生与中国科学之发展》）。
丁文江还聘请了德国学者梭尔格教授（在中国待了3年，在第一次世界大战爆发时回国去参加德军）、瑞典学者J·G·安特生（曾为《瑞典地质勘探》的主编，同时带了两个助手来中国担任农商部的顾问，在中国只待了1年）、法国学者德日进（1881—1955）等等。这些专家在中国工作期间，作了许多野外地质调查，奠定了我国的古物生、构造地质、矿产等多方面的基础地质工作，对我国近代地质发展起到了积极的推动作用。这些成果的取得，与丁文江的精心筹划、领导是分不开的。
在20世纪20年代后期，丁文江虽然辞去了地质调查所所长职务（在北票煤矿当总经理），但他一直担任《中国古生物志》的主编，地调所新生代研究室的创建和研究计划的实施，也还凝结着他的心血。他始终如一地关心着中国的地质调查的发展。
丁文江还主办两个学术刊物，即创刊于1919年的《地质汇报》和《中国古生物志》。他担任《中国古生物志》的主编，前后达15年之久，一直到他逝世。这两种刊物都是以英文和中文出版的，很快在国际学术界中传播开了，权威性也越来越高。
1922年，丁文江和地质调查所的同事们，邀请在北京的中外科学家加入国际性的组织“中国地质学会”。同年3月，丁文江主持召开了有26个会员参加的组织会议。这是完全由中国科学家发起和组织的，仅次于医学会的学术组织。
中国地质学会很快出现了自由讨论的学术风气，并出版了《中国地质学会志》（英文），丁文江身兼学会理事，会志主编，并多次担任学会理事长职务。丁文江为创办中国的地质学会组织，付出了很多心血。
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