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帰国後、アメリカで習得した技術を活かそうとするも、当時の日本は鉱山は未熟で力量を発揮できる場は無く、大阪専門学校([[第三高等学校 (旧制)|旧制第三高等学校]]の前身)で英語を教え始め<ref>三井王国の元老・団琢磨『東京朝日新聞』昭和7年3月6日夕刊(『昭和ニュース事典第4巻 昭和6年-昭和7年』本編p117 昭和ニュース事典編纂委員会 毎日コミュニケーションズ刊 1994年)</ref>同校で助教授 、次いで[[東京大学 (1877-1886)|東京大学]][[東京大学大学院理学系研究科・理学部|理学部]]助教授となり、[[工学]]・[[天文学]]などを教える。
 
[[1884年]](明治17年)に[[工部省]]に移り、鉱山局次席、更に三池鉱山局技師となる。三池の工業課長兼勝立坑長として採炭技術の習得のために渡欧し<ref name="三井広報会"/>、[[1888年]](明治21年)に三池鉱山が政府から三井に売却された後はそのまま三井に移り、[[三井三池炭鉱]]社事務長に就任する。三大工事といわれる[[三池港]]の築港、[[三池鉄道]]の敷設、[[大牟田川]]の浚渫を行い、また渡欧時に大型[[ポンプ]]技術を習得しており、英国のデーヴィポンプを周囲の反対を押し切る形で採用し<ref name="大牟田">{{citeCite web|和書|url= http://www.sekitan-omuta.jp/history/6.html |title=団琢磨が事務長に就任|publisher=大牟田市石炭産業科学館|accessdate=2020-9-22}}</ref>、水没した勝立坑の排水問題を解決した<ref name="大牟田"/>。[[1893年]](明治26年)、[[日本コークス工業|三井鉱山]][[合資会社]]専務理事となる。1895年、三池から東京へ転居し、妻の実家の麹町、赤坂区丹後町で暮らしたのち、原宿のベルギー名誉領事を務めていたドイツ人商人モズレ(Alexander Georg Mosle)の旧宅に落ち着いた<ref>『綱町三井倶楽部』石田繁之介、長横行な美術出版</ref>。[[1899年]](明治32年)、[[博士(工学)|工学博士]]号を受ける。
 
[[1909年]](明治42年)、三井鉱山会長となる。この頃、團の手腕により三井鉱山の利益は[[三井銀行]]を追い抜いて[[三井物産]]と肩を並べるようになり、「三井のドル箱」と言われた三池が[[三井財閥]]形成の原動力となった。こうして團は三池を背景に三井の中で発言力を強め、[[1914年]]([[大正]]3年)には[[益田孝]]の後任として[[三井合名会社]]理事長に就任し<ref name="三井広報会"/>、三井財閥の総帥となる。