После окончания института Евгений Оскарович поступил на государственную службу на Николаевскую железную дорогу инженером по расчетам мостов. Затем служил начальником технического отдела управления Московско-Ярославско-Архангельской железной дороги, с 1898 года он – преподаватель, а затем экстраординарный профессор Императорского Московского инженерного училища. Здесь Патон и начал заниматься научно-исследовательской деятельностью.
Будучи профессором кафедры мостов, Евгений Оскарович Патон в 1902–1904 годах публикует свои научные труды «Фермы балочных мостов», «Железные мосты», «Опорные части балочных мостов» и участвует в проектировании и строительстве многих мостов, в том числе через реки Матыру, Зушу, Рось.
В 1904 году его приглашают на работу в Киевский политехнический институт (КПИ), где он с 1905 по 1929 год работает ординарным профессором кафедры мостов, а с 1907 года – декан инженерного факультета КПИ. Деятельность Евгения Оскаровича в КПИ в дореволюционной России была отмечена орденами Святой Анны III степени и Святого Владимира IV степени.
В 1913 году, уже будучи известным ученым, Евгений Оскарович заболел и уехал лечиться во Францию. Там его и застала Первая мировая война. Когда он узнал об этом, то сразу же начал собираться домой. Патон понимал, что надо будет строить мосты, и организовал в России мостовой комитет, выпустил пособие по восстановлению мостов, по монтажу накладных понтонов и созданию временных переправ. Евгений Оскарович проектировал мосты различных типов для военного ведомства, заведовал секцией мостов военно-промышленного комитета. Он придерживался стратегии так называемого целесообразного проектирования, направленного на удешевление проектов и строительство мостов за счет новаций в области конструктивных форм и экономичности использования металла, и первым начал разрабатывать проекты стальных разборных мостов оригинальной конструкции. Такие мосты, так и называвшиеся – «мосты Патона», активно использовались русской армией в Первой мировой войне.
В 1916 году Евгений Оскарович женился на Наталье Викторовне Будде, происходившей из старинного дворянского рода. Ее дед по материнской линии, Виктор Эммануилович Будде, состоял в Пажеском корпусе, служил в Кавалергардском полку. Его брат, Александр Эммануилович, был генералом, двоюродный брат Наталии Викторовны, Евгений Федорович Будде, был известным русским ученым, языковедом, исследователем истории русского языка, диалектологии великорусских наречий, синтаксиса русского языка. С 1916 года он стал членом-корреспондентом Императорской Санкт-Петербургской академии наук, а затем Российской академии наук и АН СССР.