Zaraz po studiach w okresie 1864–65 pracował jako ślusarz w Karlsruher Maschinenbau-Gesellschaft w Karslruhe, a później jako konstruktor w firmie Firma Schweitzer sen. w Mannheimie i w firmie Gebrüder Benckiser w Pforzheimie. Po pracy poświęcał się studiom teoretycznym.
W 1871 roku powrócił do Mannheimu, które przeżywało okres rozwoju przemysłowego. Wraz ze wspólnikiem Augustem Ritterem założył odlewnię żelaza i warsztat mechaniczny. Zaczął pracę nad niekolejowym pojazdem samobieżnym. Spółka wkrótce się rozpadła, a Benzowi udało się uratować przedsiębiorstwo dzięki posagowi żony Berty Ringer, z którą ożenił się w 1872 roku. Para miała dwóch synów i jedną córkę.
W latach 1877–1880 opracował konstrukcję dwusuwowego silnika spalinowego. W 1880 roku założył spółkę akcyjną, w której miał 5% udziałów, która rozpoczęła produkcję silników jego konstrukcji – najpierw o mocy 1 konia mechanicznego a później, na większą skalę, o mocy 4. Nieporozumienia ze wspólnikami spowodowały, że Benz w 1883 roku wycofał się z przedsięwzięcia i z innymi partnerami założył Benz & Cie. Rheinische Gasmotorenfabrik. Benz nie otrzymał patentu na swój dwusuwowy silnik spalinowy, lecz jego pojedyncze części np. elektryczna świeca zapłonowa, mogły zostać objęte ochroną. Pracował nad lżejszą wersją silnika, który mógłby być użyty w pojeździe.