I 1681 vendte Rømer tilbage til Danmark og blev udnævnt til professor i astronomi ved Københavns Universitet, og samme år giftede han sig med Anne Marie Bartholin, datter af Rasmus Bartholin. Han var også aktiv som observatør, både på universitetets observatorium ved Rundetårn og i sit hjem, ved hjælp af forbedrede instrumenter af hans egen konstruktion. Desværre har hans observationer ikke overlevet: de gik tabt i den store Københavnsbrand i 1728.
- Hvad? Men en tidligere assistent (og senere selv astronom), Peder Horrebow, beskrev og skrev trofast om Rømers observationer.