W 1835 roku powrócił na uniwersytet w Tybindze, obejmując profesurę botaniki. W Tybindze, gdzie pracował do końca życia, przyczynił się do utworzenia pierwszego na terenie Niemiec wydziału nauk przyrodniczych w 1863 roku i został jego pierwszym dziekanem.
Von Mohl jako pierwszy zaobserwował zjawisko podziału komórek, najpierw u gałęzatek (1835), a następnie w aparatach szparkowych roślin kwiatowych (1838). Jego obserwacje potwierdzili inni uczeni, m.in. Franz Unger (1800–1870), Wilhelm Hofmeister (1824–1877) i Carl Wilhelm von Nägeli (1817–1891). Obaliło to teorię Matthiasa Jacoba Schleidena (1804–1881), który uogólnił rzadki przypadek powstawania wolnych komórek podczas tworzenia się bielma i postulował, że komórki powstają ze śluzowatej masy, w której wokół każdego jądra komórkowego powstaje błona komórkowa. Von Mohl udowodnił również, że włókna roślinne składają się z różnych typów komórek. Sklasyfikował tkanki roślinne na podstawie ich pochodzenia. Wyjaśnił także powstawanie i budowę aparatów szparkowych.
W 1843 roku założył wraz z Diederichem von Schlechtendalem (1794–1866) czasopismo naukowe „Botanische Zeitung”, które współredagował do 1872 roku. W 1843 roku w uznaniu zasług został odznaczony Orderem Korony Wirtemberskiej.