Efter at have arbejdet som lektor i kemi ved University College i Nordwales i fem år, vendte Dostrovskij tilbage til Israel og sluttede sig til Weizmann Institute of Science i Rehovot i 1948, kort før instituttets indvielse. De fem videnskabelige afdelinger på instituttet skulle ledes af videnskabsmænd i verdensklasse fra forskellige lande.
Kun to af de videnskabelige ledere turde flytte til Israel. Dostrovskij, der dengang kun var 30 år gammel, besatte en af de tre ledige lederstillinger: han blev udnævnt til leder af isotopforsknings-afdelingen, en stilling han holdt i 17 år.