Nel 1891 tornò a Roma dove aveva ottenuta la cattedra di Geometria analitica e proiettiva. Dopo questo fu nominato assistente di Enrico D'Ovidio all'Università degli Studi di Torino. In questa sede fu fortemente influenzato da Corrado Segre e poté sviluppare una serie di brillanti ricerche. Castelnuovo passò un anno a Roma, dove insegnava Luigi Cremona, per incominciare ricerche di geometria avanzata.