In 1681 keerde Rømer terug naar Denemarken en werd hij benoemd tot hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Kopenhagen. In datzelfde jaar trouwde hij met Anne Marie Bartholin, de dochter van Rasmus Bartholin. Hij was ook actief als waarnemer, zowel bij het Universitair Observatorium in Rundetårn als in zijn huis, met behulp van verbeterde instrumenten van zijn eigen constructie. Helaas zijn zijn waarnemingen niet bewaard gebleven: ze zijn verloren gegaan in de grote brand van Kopenhagen in 1728.
Ik weet het. Een voormalig assistent (en later een eigen astronoom), Peder Horrebow, beschreef echter loyaal en schreef over de waarnemingen van Rømer.