Setelah bekerja sebagai dosen kimia di University College di Wales Utara selama lima tahun, Dostrovsky kembali ke Israel, bergabung dengan Weizmann Institute of Science di Rehovot pada tahun 1948, sesaat sebelum dedikasi Institut. Lima departemen ilmiah Institut akan dipimpin oleh ilmuwan kelas dunia dari berbagai negara, tapi hanya kemudian Perang Kemerdekaan
bangkrut, dan hanya dua dari pemimpin ilmiah yang ditunjuk berani pindah ke Israel. Dostrovsky, yang saat itu baru berusia 30 tahun, mengisi salah satu dari tiga posisi kepemimpinan yang kosong: ia diangkat sebagai Kepala Departemen Penelitian Isotop, sebuah jabatan yang dipegangnya selama 17 tahun.