Nenckiego przeniosła się do Warszawy. W 1963 r. w Zakładzie Biochemii instytutu utworzyła Pracownię Biochemii Lipidów i została jej kierownikiem. Pracownia ta zajmowała się metabolizmem lipidów, głównie w aspekcie porównawczym, najpierw u owadów, a później także u kręgowców. Paulina Włodawer prowadziła również współpracę naukową z zakładami biochemii Uniwersytetu w Lund w Szwecji i Uniwersytetu w Toronto w Kanadzie, gdzie przebywała dzięki uzyskanym stypendiom. W 1966 r. uzyskała tytuł profesora.

Była członkiem Polskiego Towarzystwa Biochemicznego od momentu jego powstania w 1958 r. Pracowała w Komisji Słownictwa Biochemicznego, która opracowała zasady polskiego nazewnictwa biochemicznego, wykorzystane przez nią podczas tłumaczenia na język polski podręcznika „Zarys Biochemii” P. Karlsona. Po wydarzeniach politycznych w Polsce w 1968 r. wyemigrowała wraz z rodziną do Szwecji, gdzie wkrótce podjęła pracę w Instytucie Karolinska w Sztokholmie, w pracowni kierowanej przez Bengta Samuelssona, włączając się w prowadzone przez niego badania nad prostaglandynami.