Năm 1944, ông thi đỗ tú tài toàn phần và thi đỗ vào một trường đại học (ĐH) khoa học ở Hà Nội để học chứng chỉ toán học đại cương. Năm 1946, Chính phủ ta mở lại các trường ĐH, ông ra Hà Nội, thi lấy chứng chỉ Toán học đại cương và đỗ đầu, sau đó trở lại quê hương để tham gia công tác kháng chiến. Năm 1947, ông được bố trí dạy toán ở Trường Trung học chuyên khoa Huỳnh Thúc Kháng. Năm 1951, ông được điều đi dạy ĐH (khoa học cơ bản và sư phạm cao cấp) tại khu học xá T.Ư ở Nam Ninh (Trung Quốc). Năm 1956, ông được bố trí dạy cho hai trường là ĐH Sư phạm (SP) Hà Nội và ĐH Tổng hợp. Ngày 29-1-1956, ông được kết nạp vào Đảng Cộng sản Việt Nam. Ngày 24-6-1958, ông bảo vệ thành công luận án TS toán học tại Trường ĐH Tổng hợp Lô-mô-nô-xốp và đây là một trong những luận án TS đầu tiên của người Việt Nam bảo vệ ở nước ngoài (Liên Xô cũ). Năm 1963, ông bảo vệ thành công luận án TSKH đầu tiên về khoa học cơ bản làm ở trong nước và bảo vệ ở Liên Xô. Năm 1966, tại hội nghị Toán học quốc tế họp ở Mát-xcơ-va, ông đã báo cáo phát minh mới nhất của mình gọi là "hình học siêu phi Ơ-clít". Tháng 9-1966 ông được đề bạt làm Hiệu phó Trường ĐHSP Hà Nội rồi chuyển sang làm Hiệu trưởng Trường ĐHSP Hà Nội II năm 1967. Năm 1975, ông được cử làm Hiệu trưởng Trường ĐHSP I mới (Trường ĐHSP Hà Nội ngày nay). Đầu năm 1976 ông được đề bạt làm Thứ trưởng Bộ Giáo dục (cũ), tham gia Đảng đoàn của Bộ.

Năm 1989 ở tuổi 63, GS Nguyễn Cảnh Toàn được Đảng và Nhà nước cho nghỉ quản lý để chuyên làm công tác khoa học và trở thành chuyên gia cao cấp của Bộ Giáo dục (cũ) và của Bộ Giáo dục và Đào tạo ngày nay. Năm 2001 ông nghỉ hưu nhưng vẫn làm việc với tư cách là một nhà khoa học như: làm chủ nhiệm đề tài, giảng chuyên đề, chấm luận án, viết báo, viết sách. Ngoài ra, ông là một trong những người sáng lập ra Hội Toán học Việt Nam và giữ cương vị Phó Chủ tịch Hội; sáng lập ra Tạp chí Toán học và tuổi trẻ, đồng thời là Tổng Biên tập từ ngày thành lập (năm 1964) đến tháng 8-2005. GS Nguyễn Cảnh Toàn còn tham gia giảng dạy và viết sách, như cuốn: Phương pháp luận duy vật biện chứng với việc học, dạy và nghiên cứu Toán học. Là tác giả, chủ biên, hiệu đính nhiều cuốn từ điển như Danh từ Toán học Nga - Việt, Danh từ Toán học Anh - Việt, Từ điển thuật ngữ Toán học. Ông cũng là thành viên Hội đồng quốc gia chỉ đạo biên soạn Từ điển bách khoa và là thành viên biên soạn.

Dành cả cuộc đời cho sự nghiệp khoa học và giáo dục, lao động bền bỉ, không mệt mỏi cho đến phút cuối cùng của cuộc đời, đã tạo nên chân dung GS Nguyễn Cảnh Toàn là một trong số những nhà toán học đầu tiên của nước Việt Nam xã hội chủ nghĩa; nhà quản lý giáo dục, nhà sư phạm lớn, nhà giáo mẫu mực đầy tâm huyết. Nói đến GS Nguyễn Cảnh Toàn là nói đến những đóng góp sáng tạo được đúc kết trong các công trình khoa học tiêu biểu trong các lĩnh vực toán học và khoa học giáo dục. Những kết quả nghiên cứu được phản ánh trong các công trình thuộc lĩnh vực toán học rất sâu sắc và đạt trình độ khoa học cao, đủ để hình thành một “nhánh nghiên cứu mới”. Các quan điểm của ông đều có quan hệ biện chứng xoay quanh trục “Biến quá trình đào tạo thành quá trình tự đào tạo" mà ông đã nêu ra từ những năm 1960 giữa lúc “dạy học truyền thụ một chiều” còn phổ biến. “Nội lực là quyết định, ngoại lực là hỗ trợ” là triết lý được ông quán triệt đến mức trở thành nhạy cảm khoa học, thành niềm tin và bản lĩnh dám chịu trách nhiệm trong việc đưa ra những chủ trương táo bạo đã gặt hái không ít thành công. Nhiều công trình của GS Nguyễn Cảnh Toàn hiện nay đang là hành trang của những người nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực tổ chức tự học; phát triển tư duy sáng tạo, biện chứng; phát triển chương trình và tổ chức đào tạo giáo viên cũng như tái cấu trúc hệ thống các trường sư phạm với tiếp cận đào tạo giáo viên phải diễn ra trong bối cảnh tác nghiệp tại nhà trường phổ thông.

Phương pháp duy vật biện chứng được GS Nguyễn Cảnh Toàn vận dụng sáng tạo, độc đáo giữa dạy và học, giữa nghiên cứu khoa học và giáo dục. Phương pháp đó được quán triệt xuyên suốt trong các công trình nghiên cứu lĩnh vực toán học và khoa học giáo dục. Ba cuốn sách dạy cách sáng tạo toán học tiêu biểu cho tư tưởng đó trong số hàng trăm công trình khoa học của ông là “Phương pháp luận duy vật biện chứng với việc học, dạy và nghiên cứu Toán học" dành cho học sinh phổ thông, nghiên cứu sinh, giáo viên và những người nghiên cứu lý luận dạy học nói chung và lý luận dạy học toán học nói riêng; “Tập cho học sinh giỏi toán làm quen với nghiên cứu toán học”; “74 câu chuyện học toán thông minh, sáng tạo”. Có thể coi đây là ba cuốn sách về “sáng tạo học” trong lĩnh vực toán học. Mặt khác, với quan điểm giáo viên dù dạy ở cấp nào, bộ môn nào cũng phải thực hành hoạt động nghiên cứu khoa học, ông là người tiên phong đề ra chủ trương đưa hoạt động nghiên cứu khoa học vào trường phổ thông.

Với sự nhạy cảm khoa học đặc biệt, GS Nguyễn Cảnh Toàn đã phát hiện ra nhiều nội lực tiềm ẩn và các quy luật chi phối và đề xuất, chỉ đạo kiên quyết, kiên trì thực hiện nhiều chủ trương táo bạo, phản ánh tư duy chiến lược giáo dục phong phú, có nhiều điểm độc đáo mang màu sắc Việt Nam. Những cống hiến khoa học to lớn, độc đáo của GS Nguyễn Cảnh Toàn là kết quả trải nghiệm hoạt động tự học, sáng tạo, cả cuộc đời cống hiến cho khoa học với lao động miệt mài, bền bỉ cho đến tận những ngày trước khi đi về cõi vĩnh hằng.

Với những đóng góp to lớn cho khoa học và giáo dục nước nhà, GS Nguyễn Cảnh Toàn được Đảng, Nhà nước tặng thưởng danh hiệu Nhà giáo Nhân dân và nhiều Huân, Huy chương cao quý; Huy hiệu 60 năm tuổi Đảng…