За время работы за границей О.М. Бодянский собрал богатую библиотеку по славистике, впоследствии завещанную Московскому университету. После возвращения в Москву в 1842 г. стал экстраординарным профессором и занял после смерти М.Т. Каченовского кафедру истории и литературы славянских наречий в Московском университете, в 1847 г. был избран ординарным профессором. Преподавал славянские языки, общую историю славянских народов, курс «Славянские древности» (археология), проводил практические занятия по славянским языкам (польскому, чешскому, сербскому). Среди его учеников – историк, славист Александр Фёдорович Гильфердинг (1831–1872 гг.), лингвист Александр Львович Дювернуа (1840–1882 гг.), этнограф Александр Александрович Котляревский (1837–1881 гг.), славист Аполлон Александрович Майков (1826–1902 гг.), историк и дипломат Евгений Петрович Новиков (1826–1903 гг.), филолог Николай Петрович Некрасов (1828–1914 гг.) и др. Студентами О.М. Бодянского в Московском университете были также многие болгары, впоследствии деятели болгарского национального возрождения (Марин Стоянов Дринов и др.). В лекциях он уделял много внимания истории православия и стремился объяснять историю славянских народов в том числе и влиянием религиозных факторов (борьбой православия с католицизмом, исламом). В 1845 г. О.М. Бодянский был избран секретарём Общества истории древностей, с 1846 г. являлся редактором «Чтений в обществе истории и древностей российских» (ЧОИДР). В 1848 г. он опубликовал записки Джайлса Флетчера (1548–1611 гг.) «О государстве Русском, или Образ правления русского царя», которые император Николай I счёл оскорбительными. О.М. Бодянский был отстранён от преподавания в университете, уволен с должности секретаря ОИДР и направлен в Казанский университет, но уезжать из Москвы отказался и подал в отставку. В декабре 1849 г. учёного восстановили в должности профессора Московского университета, в 1854 г. избрали членом-корреспондентом императорской Академии наук, в 1857 г. он вновь стал секретарём ОИДР и редактором ЧОИДР. О.М. Бодянский состоял также членом Общества истории и древностей югославян в Загребе (1850 г.), Общества сербской словесности (1855 г.), Общества любителей русской словесности (1858 г.), членом-корреспондентом РАО (1861 г.). За труд «О времени происхождения славянских письмён» удостоен степени доктора славяно-русской филологии (1855 г.). Некоторые из идей своей диссертации О.М. Бодянский развил в работах «Новые открытия в области глаголицы» и «Кирилл и Мефодий». С 1859 г. заведовал типографией Московского университета, в 1863 г. издал замечания к новому университетскому уставу, в которых защищал необходимость изменений в структуре историко-филологического факультета, выступил сторонником университетской автономии, но большинство профессоров Московского университета его не поддержали.