Po powrocie z ekspedycji pracował początkowo w szpitalu Almingeligt, później był lekarzem we flocie, a następnie w Bandhold podczas tamtejszej epidemii cholery (1850).
W 1851 roku Panum ukończył doktorat poświęcony fibrynie i przeniósł się do Würzburga, gdzie zaprzyjaźnił się z Rudolfem Virchowem. W latach 1852−1853 pracował w Paryżu z Claude’em Bernardem. W 1855 roku Panum został profesorem na Uniwersytecie w Kilonii i założył tam laboratorium fizjologii, by zajmować się problemem transfuzji krwi.
W latach 1855−1856 przeprowadził serię eksperymentów z tzw. „trucizną gnilną”, hipotetyczną substancją odpowiedzialną za symptomy sepsy. Badania przeprowadził wykonując psom wlewy roztworów tej substancji. W swoim eksperymencie udowodnił, że objawy wywołuje substancja rozpuszczalna w wodzie, która jest odporna na długotrwałe oddziaływanie wysokiej temperatury. Początkowo odrzucił możliwość bakteryjnego pochodzenia odkrytej substancji, ale w późniejszej publikacji dopuścił taką możliwość i przewidział przyszłe możliwości leczenia antybakteryjnego sepsy. Opisana przez niego substancja to endotoksyna.