1928年7月，武汉大学筹备成立，时任湖北省教育厅厅长兼武汉大学代理校长的刘树杞亲赴南京过家花园造访闻府，恳请闻一多出任武大文学院的首任院长，并拜托他代聘召美归国同学来校任教。为此，闻一多第三次来到武汉，住武昌黄土上坡 ( 今首义路 )31 号锦园，就任武汉大学教授兼文学院院长 ( 含中国文学和外国文学二系 ) ，讲授“西洋美术史”和“现代英美诗”等选修课程。
同年 11 月 20 日，国民党中央政治会议武汉分会常委会批准武汉大学从武昌东厂口旧址 ( 今湖北教育学院所在地 ) 迁往东湖之滨的落驾山。落驾山又名罗家山，有着旧时代祖传划名的印痕，难登大雅之堂，闻一多以其诗人的特有气质，忽而灵机一动，建议将其更名为谐音的“珞珈山”，顿使新校址平荡了不少诗情画意，得到了大家的一致首肯，此名一直沿用至今。闻一多还为武汉大学的校门石坊正面题写楷书“国立武汉大学”，反面题写篆字“文法理工农医”，同时设计了一枚三角校徽，被采用为对外的印章徽记，现都已成为武汉大学永远的骄傲。
闻一多是武汉大学首批正式聘任的 28 名教授之一，其时尚未及而立之年。他以风流倜傥的诗人风度，待人诚恳和治学严谨的负责精神，渐趋成熟的讲课风格，赢得了青年学生的普遍信赖和尊敬。然而，在中文系担负中国文学的教学任务，仍使他感到了相当大的压力。他说：“弄古代文学，我们这些不是科班出身的，半路出家，没有师承，什么都从头摸索起，真够苦呀 ! ”当时在武汉大学文学院，人们普遍认为，只有弄通了文字、音韵、训诂等“小学”的人，只有对周易、诗经、楚辞等中国传统文化有着系统、深入研究的人，才算有学问，才有资格在中文系讲课。因此，对于担任文学院院长却是非科班出身的闻一多，难免有人在背后有些微词。一向不服输的闻一多当然忍
受不了如此的轻慢，他下决心一定要弄清祖国文化传统的来龙去脉，于是开始专攻中国古典文学了。武汉大学成了闻一多从诗人踏上学者之途的一个重要转捩点。他为自己制订了一个规模庞大的科研计划，先从整理文化典籍和考证作家作品入手，独立地开始了对中国古典文学的系统研究。
闻一多选定的突破口是家喻户晓具有代表性的唐代诗圣杜甫。在1928年8月出版的《新月》第 1 卷第 6 期上，闻一多发表了传记散文《杜甫》，他在这篇“未完稿”的《引言》中说：“数千年来的祖宗，我们听见过他们的名字，他们生平的梗概，我们仿佛也知道一点，但是他们的容貌、声音，他们的性情、思想，他们心灵中的种种隐秘——欢乐和悲哀，神圣的企望，庄严的愤慨，以及可笑亦复可爱的弱点或怪癖……我们全是茫然。我们要追念，追念的对象在哪里 ? 要仰慕，仰慕的目标是什么 ? 要崇拜，向谁施礼 ? ”为此，他在这里写出了“个人想象中的“诗圣”，但这只是研究中国古代文学的一次尝试。
而今在武汉大学，他采取了考证与校订的研究方法，严谨深入地开始了对杜甫生平的考订工作，其第一项研究成果是1930年4月至 1931 年 1 月在武汉大学《文哲季刊》第 1 卷第 1 至 4 期上连载的《杜少陵年谱会笺》。他采用“据诗以证事”的方法，以传主有时间、地点可考的诗作来印证他的行踪，同时在考据中杂以论析和“疏通篇旨”，尽量做到有理有据，周密翔实，无懈可击。此文一出，即刻在学术界引起热烈反响，好评如潮。朱自清认为这篇文章使闻一多可与清代大儒王念孙齐名，日本学者近藤光男也说闻一多从此可与清代大考据家戴东原相媲美。
闻一多在风光秀丽的珞珈山上闭门读书，绝少下山。只是到了星期天的下午，他才邀约陈登恪等同好一道去武昌宜善书店选购古籍，这就算是难得的休息了。1929年8月，著名楚辞专家游国恩来到武汉大学任教，闻一多与之一见如故，讨论学术，互相砥砺，彼此都感到受益匪浅。在武汉大学浓厚的学术氛围中，闻一多的研究工作愈深愈广，案头手稿逐渐增高。渐渐地，他从杜甫深入到古代神话、《诗经》《楚辞》《周易》《管子》《庄子》、乐府、古文字学 ( 甲骨文和钟鼎文 ) 、古音韵学等诸多领域，并且都形成了自己独特而深切的见解，取得了相当辉煌的成就，成了举世公认的著名学者。在1993年12月湖北人民出版社出版的 12 卷本《闻一多全集》中，其学术论著竞达 8 卷之多，其价值于此可见一斑。郭沫若曾高度评价闻一多的学术成就，称赞“他那眼光的犀利，考索的赅博，立说的新颖而翔实，不仅是前无古人，恐怕还要后无来者的。”
1929 年 6 月 1 日，孙中山的灵榇由北平西山碧云寺移至南京紫金山中山陵安葬，同时在全国各地举行奉安典礼。闻一多怀着对孙中山的崇敬之情，拟就《武汉大学纪念孙总理奉安典礼祭文》，计 260 字，全文如下：
乌呼 ! 神州陆沉，受制异族，民权不伸，民生弥蹙，厝火积薪，危机潜伏，众人熙熙，酣梦方熟。维总理，先觉先知，四十年前，独抱忧危，结纳同志，密展宏规，光复故物，金瓯不亏。国体共和，首崇让德，成功不成，退然拱默。咄哉叛夫，大盗移国，爰构厉阶，祸延南北。公谋建设，主义昭宣，建国方略，宪法五权。亿兆服膺，全体动员，催公北上，耆定坤乾。胡天不仁，沉疴遽染，扁鹊华陀，莫救斯险。壮志甫伸，荣光俄掩，载德垓埏，铭勋琬琰。煌煌遗教，奉作宝书，和平统一，实践非虚，迁都金陵，力行其余，国民会议，苛约废除。遏密八音，倏焉三载，奉安钟山，兆域爽垲，坟对孝陵，徽扬寰海，举哀陈词，上诉真宰。
滔滔江汉，载缵武功，辛亥首义，遐迩夷同。学府既建，棫朴芃芃，敢章乐章，被之丝桐。尚飨。
闻一多在国立武汉大学任职期间，还兼任私立武昌艺术专科学校的校董。这所学校位于武昌水陆街，在 1928 年 11 月承办了湖北省第一届美术展览会，其目的“在提倡艺术教育和纯粹艺术，以期社会艺术化。”闻一多被湖北省教育厅艺术教育委员会聘为展览会的审查及评判委员长，主持制定审查评判标准及办法。这是湖北历史上规模空前的一次美术作品检阅，以湖北各地及武昌艺专学生的习作为主，同时辅以名家绘画，实为湖北美术史上的一件大事。
1929 年 5 月，武汉大学来了新校长王世杰。同年 11 月，闻一多参与筹办学术刊物《文哲季刊》，在准备第 1 期稿件的过程中，王世杰校长聘任的教授刘华瑞送来一篇文章，说是有关江汉文化的研究，内容却只涉及太极拳一类武术问题，闻一多看后认为不能刊用，这一下就触怒了刘教授。于是，他在暗中怂恿几个随他习练武功的学生在校内张贴标语，对闻一多先生进行人身攻击，竟然掀起了一股小小的学生风潮。闻一多对此愤怒至极，立即写信辞职，并在校内贴出布告，声明自己对于文学院院长的职位，如“鵷雏之视腐鼠” ( 典出《庄子》 ) 。后来，王世杰校长虽然出面挽留，但表情冷漠，显然只是一种假惺惺的姿态，这使闻一多的去志更坚，终于在 1930 年 6 月愤而离开武汉大学，后应青岛大学校长杨振声之聘，于同年 8 月到达海滨山城，继续他的学者生涯去了。