พ.ศ. ๒๔๙๔ ได้เข้าปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐานอยู่ ณ มณฑปพระธาตุ วัดมหาธาตุ ตั้งแต่วันที่ ๑ มีนาคม ถึง ๑๙ ตุลาคม ๒๔๙๔ รวมเวลา ๗ เดือน ๑๙ วัน โดยพระภาวนาภิรามเถระ (สุข) วัดระฆังเป็นอาจารย์สอน

พ.ศ. ๒๔๙๕ ไปดูการพระศาสนาที่ประเทศพม่า และได้ปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐาน ณ สำนักศาสนายิสสา เมืองอย่างกุ้ง ประเทศพม่า เมื่อสำเร็จการศึกษาและปฏิบัติวิปัสสนาแล้ว ได้เดินทางกลับประเทศไทยพร้อมกับพระอาจารย์ด้านวิปัสสนากรรมฐาน ๒ รูป ทีรัฐบาลไทยขอจากรัฐบาลพม่าเพื่อมาสอนวิปัสสนากรรมฐาน ประจำอยู่อยู่ในประเทศไทย พระวิปัสสนาจารย์ ๒ รูปนั้น คือ ท่านอาสภเถระปธานกัมมัฏฐานาจริยะและท่านอินทวังสะ ธัมมาจริยะกัมมัฏฐานาจริยะ
เมื่อท่านกลับมาประเทศไทยแล้ว ท่านได้ปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐานอยู่อีก ๔ เดือน ในสมัยนั้นท่านเจ้าประคุณเด็จพระพุฒาจารย์ครั้งดำรงสมณศักดิ์ที่ พระพิมลธรรม ได้ประกาศตั้งสำนักวิปัสสนาธรรมฐานแห่งประเทศไทย ขึ้นที่วัดมหาธาตุ และได้แต่งตั้งท่านครั้งเป็นพระมหาโชดก ป.ธ. ๙ ให้เป็นพระอาจารย์ใหญ่ฝ่ายวิปัสสนาธุระเป็นรูปแรก ท่านได้รับภาระหนักมาก เพราะเป็นกำลังสำคัญของท่านเจ้าประคุณสมเด็จ ในการวางแผนขยายสำนักสาขาไปตั่งในที่ต่างๆทั่วประเทศ จัดทำหลักสูตรวิปัสสนากรรมฐานคัดเลือกพระวิปัสสนาจารย์ไปสอนประจำอยู่ตามสำนักสาขาที่ตั้งขึ้นและจัดไว้สอนประจำที่วัดมหาธาตุ พระวิปัสสนาจารย์ทั่วประเทศ ส่วนมากเป็นศิษย์ของท่าน
อนึ่ง ในครั้งนั้น ท่านเจ้าประคุณสมเด็จ ได้จัดตั้งกองกรวิปัสสนาธุระขึ้นเป็นศูนย์วิปัสสนากรรมฐาน ที่คณะ ๕ วัดมหาธาตุ และได้แต่งตั้งให้ท่านเป็นผู้อำนวยการกองการวิปัสสนาธุระ ในความอำนวยการของท่าน มีกิจการเจริญก้าวหน้ามาก มีผลงานปรากฏ ดังนี้

๑. จัดพิมพ์วิปัสสนาสารซึ่งเป็นวารสารราย ๒ เดือน (ออกปีละ ๖ เล่ม) ตั้งแต่ พ.ศ. ๒๔๙๘ และได้ออกติดต่อ ตลอดมาถึงบัดนี้มีสมาชิกให้การอุดหนุนวารสารนี้มีมากพอสมควร

๒. จัดการปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐานขึ้นที่คณะ ๕ โดยจัดสร้างห้องปฏิบัติขึ้นรับผู้ประสงค์จะเข้าปฏิบัติ หรือผู้มีปัญหาชีวิต เข้าปฏิบัติได้ทุกเวลา ทั้งประเภทอยู่ประจำและไม่ประจำ (คือมารับพระกรรมฐานจากอาจารย์ไปปฏิบัติที่บ้านแล้วมารับสอบอารมณ์หรือมาปฏิบัติในเวลาว่างแล้วกลับไปพักที่บ้าน)

๓. อาจารย์ใหญ่ฝ่ายวิปัสสนาจารย์ และคณะศิษย์ของท่านได้ไปสอนวิปัสสนากรรมฐาน ในพระอุโบสถวัดมหาธาตุ ตึกมหาธาตุวิทยาลัย ตึกธรรมวิจัย มหาจุฬาลงกรณราชวิทยาลัย ทุกวันพระ และวันอาทิตย์

๔. ให้ความอุปถัมภ์สำนักวิปัสสนากรรมฐานอื่นที่เป็นสาขาอีกหลายสำนัก เช่น สำนักวิเวกอาคม อำเภอเมือง จังหวัดฉะเชิงเทรา สำนักวิปัสสนาภูระงำ อำเภอมัญจาคีรี จังหวัดขอนแก่น และสำนักบางกระสอ อำเภอเมือง จังหวัดนนทบุรี เป็นต้น พระธรรมธีรราชมหามุนีนั้น ได้อุทิศชีวิตอบรมและเผลแพร่วิปัสสนากรรมฐานติดต่อมาเป็นเวลายาวนานประมาณ ๔๐ ปี จึงมีศิษยานุศิษย์และมีผู้เคารพศรัทธาเลื่อมใสมากทั้งชาวไทยและชาวต่างประเทศและบุคคลผู้มาปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐานนั้น มีทุกระดับชั้น ทุกฐานะอาชีพ

ครั้นช่วง พ.ศ. ๒๔๙๘ ครั้งดำรงสมณศักดิ์ที่พระอุดมวิชาญาณเถร ได้เป็นพระอาจารย์ถวายวิปัสสนากรรมฐานแด่สมเด็จพระราชชนนีศรีสังวาลย์ (ปัจจุบัน คือ สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี) ซึ่งได้เสด็จมาสมาทานพระกรรมฐานเมื่อวันอังคารที่ ๑๕ กุมภาพันธ์ ๒๔๙๘ เวลา ๑๙.๐๐ น. ณ พระมณฑปพระบรมธาตุ วัดมหาธาตุ

ในโอกาสนั้น ท่านเจ้าประคุณสมเด็จพระพุฒาจารย์ ครั้งดำรงตำแหน่งสมณศักดิ์ทีพระพิมลธรรม ได้วายศีลแล้วพระอุดมวิชาญาณเถร เป็นผู้ถวายพระกรรมฐานและถวายสอบอารมณ์ พระกรรมฐานด้วย เป็นประจำทุกวัน ณ พระมณฑปพระบรมธาตุ เวลา ๑๙.๐๐ น. รวมเวลาที่ทรงปฏิบัติพระกรรมฐานเป็นเวลา ๑ เดือน และทรงได้รับผลจากการปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐานเป็นอย่างดี

นอกจากนั้น ได้เป็นอาจารย์ถวายวิปัสสนากรรมฐานแด่พระมงคลเทพมุนี (หลวงพ่อสด วัดปากน้ำ) ซึ่งเป็นพระอาจารย์มีเกียรติคุณในด้านสมถกรรมฐาน (วิชาธรรมกาย) มีชื่อเสียงมากในประเทศไทย โดยท่านไปถวายวิปัสสนากรรมฐานแด่หลวงพ่อที่วัดปากน้ำตลอดเวลา ๑ เดือน ครบหลักสูตรและหลวงพ่อวัดปากน้ำได้มาฟังเทศน์ลำดับญาณ ณ พระอุโบสถวัดมหาธาตุ โดยพระอุดมวิชาญาณเถรได้ถวายเทศน์ลำดับญาณ ปรากฏว่าหลวงพ่อได้ประสบความสำเร็จในการปฏิบัติวิปัสสนากรรมฐานเป็นอย่างดี เพราะท่านได้นำสมถกรรมฐานมาต่อวิปัสสนากรรมฐาน พิจารณาไตรลักษณ์ มีพระนิพพานเป็นอารมณ์ หลวงพ่อได้มอบภาพของท่านไว้เป็นที่ระลึกแก่สำนักวิปัสสนาวัดมหาธาตุ และได้เบียนบันทึกใต้ภาพยกย่องว่า “สำนักวิปัสสนากรรมฐาน เป็นสำนักที่สอนวิปัสสนาถูกต้องร่องรอยในมหาสติปัฏฐานทุกประการ”