農学校卒業後は、国策により級友達とともに上級官吏として北海道庁に採用され、畑の作物を食い散らすイナゴの異常発生の対策の研究等をしていた。

その後、創立後間もない帝国大学（後の東京帝国大学、東京大学）に進学。しかし当時の農学校に比べ、帝国大学の研究レベルの低さに失望したため退学した。1884年（明治17年）、「太平洋の架け橋になりたい」と米国に私費留学し、ジョンズ・ホプキンス大学に入学した。この頃までに稲造は伝統的なキリスト教信仰に懐疑的になっており、クエーカー派の集会に通い始め、正式に会員となった。クェーカーたちとの親交を通して後に妻となるメアリー・エルキントン（英語版）（日本名・新渡戸万里子）と出会う。米国の某地で日本についての講演をした際に、聴衆の一人であったメアリー・エルキントンが稲造を見初めて告白をしたという。

その後札幌農学校助教授に任命され、ジョンズ・ホプキンス大学を中途退学して、官費でドイツへ留学。ボン大学などで聴講した後、ハレ大学（現マルティン・ルター大学ハレ・ヴィッテンベルク）より農業経済学の博士号を得る。そのいきさつとして、米国留学にて農業を経済学と結び付けて考える必要を感じた稲造は、独学で社会科学を学び新たな学問を創設しようと試みたのであるが、ドイツ留学にて農政学が既にゴルツ（ドイツ語版）やブッヘンベルガー（ドイツ語版）により創始されていたことを知った。この間『女学雑誌』にドイツから女性の摂取すべき栄養や家政学についての寄稿を行っている（巌本善治は文中で新渡戸を「社友」と評している他、帰国後に新渡戸は巌本が主催する明治女学校で講演を行っており、その内容も『女学雑誌』に収められている）。帰途、アメリカでメアリーと結婚して、1891年（明治24年）に帰国し、教授として札幌農学校に赴任する。この間、新渡戸の最初の著作『日米通交史』がジョンズ・ホプキンス大学から出版され、同校より名誉学士号を得た。だが、札幌時代に夫婦とも体調を崩し、農学校を休職して米国西海岸のカリフォルニア州で転地療養した。

この間に名著『武士道』を英文で書きあげた。日清戦争の勝利などで日本及び日本人に対する関心が高まっていた時期であり、1900年（明治33年）に『武士道』の初版が刊行されると、やがてドイツ語、フランス語など各国語に訳されベストセラーとなり、セオドア・ルーズベルト大統領らに大きな感銘を与えた。日本語訳の出版は日露戦争後の1908年のことであった。新渡戸の『武士道』は読み継がれ、21世紀に入っても解題書が出版され続けている[1]。

台湾総督府の民政長官となった同郷の後藤新平より1899年（明治32年）から2年越しの招聘を受け、1901年（明治34年）に農学校を辞職して、台湾総督府の技師に任命された。赴任を請われた時、1日1時間の昼寝を赴任条件とした[2]。民政局殖産課長、さらに殖産局長心得、臨時台湾糖務局長となり、児玉源太郎総督に『糖業改良意見書』を提出し、台湾における糖業発展の基礎を築くことに貢献した[3][4]。台湾糖業博物館（高雄市）には「台湾砂糖之父」として新渡戸の胸像が置かれている[5]。

その後、1903年（明治36年）には京都帝国大学法科大学教授を兼ね、台湾での実績をもとに植民政策を講じた。1906年（明治39年）、京都帝国大学より植民政策の論文で法学博士の学位も受けた。同年、牧野伸顕文相の意向で日露戦争後の日本のリーダー育成にふさわしい人物として、新渡戸は東京帝国大学法科大学教授との兼任で、第一高等学校校長となった（1906-1913年）。それまでの東洋的文化色が強かった同校に、西洋色を取り入れようと努めた。愛読書でもあるトーマス・カーライルの『衣服哲学』の読書を学生に薦めるなどした。その新たな学風づくりの試みは、河合栄治郎などに影響を与えた。1911-1912年、日米交換教授の制度創設により、アメリカで日本理解の講義を行うため、渡米。帰国後、健康を害したこともあって、1913年に一高校長を辞職。東京植民貿易語学校校長、拓殖大学学監、東京女子大学学長などを歴任。その他、津田梅子の津田塾に対しても顧問を務めており、津田亡き後の学園の方針を決定する集会は新渡戸宅で開かれた。
学びの支援

札幌農学校に教授として勤めるかたわら、妻メアリーと共に遠友夜学校を1894年に設立し、恵まれない境遇の子供たちに無償で授業を行った。この学校は、宮部金吾、有島武郎、半沢洵といった札幌農学校（のちに北海道帝国大学）の教員や学生が運営や教師を務め、半世紀にわたり続いた。新渡戸は初代校長を務めた。

アメリカから来日した宣教師サラ・クララ・スミスが女子教育を志して札幌に女学校を設立すると（1887年）、新戸部は札幌農学校の同窓生でキリスト教徒としても知られる佐藤昌介や大島正健、宮部金吾らと共にこれに協力した。新渡戸は教師として英文学を教えた[6]。当初スミス女学校と呼ばれた学校に新渡戸は北星女学校の名を提案して採用され（1894年）、現在の北星学園へとつながっている。北海道庁から貸与されていた校舎の期限切れに際し、校舎購入に新渡戸が尽力したとされる[7]。
「郷土会」の発足

1909年（明治42年）、新渡戸の提唱で「郷土会」が発足した。自主的な制約のない立場から各地の郷土の制度、慣習、民間伝承などの事象を研究し調査することを主眼とした。メンバーとして柳田國男、草野俊介（理学博士）、尾佐竹猛（法学博士）、小野武夫（農学博士）、石黒忠篤、牧口常三郎、中山太郎（民俗学者）、前田多門らが加入していた。
国際連盟事務次長

1920年（大正9年）の国際連盟設立に際して、教育者で『武士道』の著者として国際的に高名な新渡戸が事務次長の一人に選ばれた[注 2]。新渡戸は当時、東京帝国大学経済学部で植民政策を担当していたが辞職し、後任に矢内原忠雄が選ばれる。新渡戸らは国際連盟の規約に人種的差別撤廃提案をして過半数の支持を集めるも、議長を務めたアメリカのウィルソン大統領の意向により否決されている。

エスペランティストとしても知られ、1921年（大正10年）には国際連盟の総会でエスペラントを作業語にする決議案に賛同した。しかしフランスの反対に遭って実現しなかった。同年、バルト海のオーランド諸島帰属問題の解決に尽力した。1926年（大正15年）、7年間務めた事務次長を退任した。
晩年

1928年（昭和3年）、札幌農学校の愛弟子であった森本厚吉が創立した東京女子経済専門学校（現新渡戸文化短期大学）の初代校長に就任。1929年（昭和4年）、学監を務めた拓殖大学から名誉教授号を受ける。札幌農学校時代の仲間と共にメリマン・ハリスの参り。1928年

1932年（昭和7年）、第一次上海事変勃発直後の2月4日に、講演のため訪れた愛媛県松山市で地元新聞記者を前にオフレコで語った.mw-parser-output .bquote cite{font-style:normal}

「近頃、毎朝起きて新聞をみると、思わず暗い気持ちになってしまう。わが国を滅ぼすものは共産党か軍閥である。