او بعد از خاتمه تحصیل و مراجعت به وطن، به خدمت وظیفه عمومی رفت و پس از آن در سال۱۳۱۴ شمسی در دانشکده پزشکی دانشگاه تهران با سمت استادیِ کرسی امراض زنان به فعالیت پرداخت. غلامحسین مصدق همزمان در بیمارستان نجمیه که وقف مادربزرگش، خانم نجم‌السلطنه بود هم به مداوای بیماران می‌پرداخت. غلامحسین مصدق در سال ۱۳۱۹ با یاری و کمک ابوالقاسم نفیسی، صدیقه دولت‌آبادی و منصوره متین‌دفتری و عده‌ای دیگر اقدام به تاسیس سازمانی به نام انجمن حمایت مادران و نوزادان کرد. تیرماه۱۳۱۹ خورشیدی، در جریان دستگیری و تبعید محمد مصدق به بیرجند، غلامحسین مصدق توسط ارنست پرون از ولیعهد برای پدرش طلب شفاعت کرد که منجر به انتقال محمد مصدق به ملک او در احمدآباد ساوجبلاغ شد.
وی در جریان نخست‌وزیری محمد مصدق، به‌عنوان پزشک همراه پدرش در مسافرت های خارجی او به لاهه، نیویورک و قاهره حضور داشت. بعد از کودتای مرداد۱۳۳۲ او نیز گرفتار حبس و تبعید شد. بعد از آزادی و مراجعت به تهران، از معدود اشخاصی بود که حق ملاقات با دکتر مصدق در احمدآباد را داشت. او از نخستین کسانی بود که متوجه بیماری جدی پدرش در واپسین سال حیات او شد.
