Después de graduarse, el apego a su tierra heredado de su padre, lo llevan a ejercer su profesión durante un año en Santa María de Ipire. Allí usa timol (aséptico intestinal de plantas labiadas y tomillo) en el tratamiento de pacientes parasitados y anémicos, logrando contar centenares de anquilostomos expulsados por los mismos.

En 1924, se le asignó el cargo de Médico-Director-Residente del Asilo de Enajenados de Caracas, hoy Hospital Municipal Psiquiátrico, ubicado en Manicomio. Trabajaba con la ayuda de Pedro Itriago Chacín y Luis Gregorio Chacín Itriago, Inspector de los Hospitales del Distrito Federal. Allí, se preocupó por las condiciones bajo las cuales mantenían recluidos a los enfermos mentales: hacinamiento, uso de camisas de fuerza, deficiencias sanitarias, sin botica ni laboratorio y con una alimentación inadecuada.

Torrealba, sin poseer mayores estudios psiquiátricos que el que los libros, monografías, tratados y los mismos enfermos pudieron brindarle, se convirtió en el pionero de la Reforma Psiquiátrica y de la Patología Mental en Venezuela, pues consiguió que se establecieran los diagnósticos psiquiátricos; se cuidara el uso de los estupefacientes y drogas heroicas; se mejorara la asistencia general; se evitara el maltrato físico a los pacientes; se propiciara la tolerancia y comprensión para los enfermos; se evitaran el encierro y las torturas; entre otras evoluciones que, a pesar de la época difícil y de su inexperiencia, logró alcanzar.

Desde que comenzó a dirigir el Asilo de los Enajenados, a través de artículos de prensa, entrevistas, foros y reportajes que le hacían, clamó por el acondicionamiento de los hospitales psiquiátricos y denunció el alcoholismo y la sífilis como las fallas que el venezolano ha tenido en su psique desde la época de la colonia y que a su juicio han sido las causantes de tantas enfermedades mentales. Dicha opinión se acerca mucho a la visión del doctor Francisco Herrera Luque, quien también considera el aspecto hereditario determinante en la psique del venezolano.

Torrealba siempre estuvo adelantado a su época. Hecho que se puede verificar en una declaración que hizo durante una entrevista, en ésta dijo: "Mitad de la pelea de medicina es psíquica".

Los dones de Torrealba no se reducían a los que el Doctor Augusto Morillo Chacón le atribuía, pues, además de su templanza y serenidad de carácter, durante su desempeño laboral se destacó por tener una capacidad especial para comprender, observar y analizar a sus pacientes. Se dice que gozaba de un espíritu sensibilísimo y una intuición particular para descubrir el fondo del alma y lo que atormentaba a quien tuviese enfrente.

En los años de trabajo en el Asilo de Enajenados estudió patologías mentales como: Manía, Melancolía, Confusión Mental, Demencia Precoz, Demencias orgánicas, Psicosis de epilépticos, Psicosis de degenerados, Parálisis general progresiva; otras psicosis en los sifílicos, estados paranoicos, Idiocias, trastornos mentales por intoxicaciones, etc. Todos estos conocimientos posteriormente lo llevarían a desempeñarse como preparador de la Tesis Doctoral del profesor Ricardo Álvarez, psiquiatra de renombre. Igualmente, dichos conocimientos le permitirían tiempo después atender casos de epilepsia, neurastesis, paranoias, histerias, etc., en su consultorio rural.

En 1927 decide abandonar el cargo de Médico-Director del Asilo de Enajenados, así como también la dirección de la revista Pequeña Nota de Psiquiatría, de la cual fue fundador. Don Tereso vivía preocupado, pues pensaba que algún interno podía atacar a su hijo, en parte, dicha inquietud fue una de las razones que impulsaron a Torrealba a tomar esa decisión. Según Jorge Maldonado Pirelli, don Tereso le recuerda a Torrealba la necesidad que tienen las tierras del llano de que sus nativos que se han podido preparar, regresen a cumplir con los deberes contraídos con su lugar de origen, quizá esa es una de las razones por las cuales decide regresar a su pueblo natal. A pesar de que sus amigos tratasen de hacerle ver que le estaba coartando el éxito profesional a su hijo en la Capital.

Su labor en psiquiatría no se limitó a los tres años que dirigió el Asilo de los Enajenados, comenzando con las clases de Psicología Experimental que daba durante su bachillerato y que luego, en 1936, en Zaraza las volvería a impartir hasta los innumerables casos de enfermedades mentales y nerviosas que en su consultorio, en San Juan de los Morros, le tocaría atender.

Mientras Torrealba revolucionaba la psiquiatría con sus métodos más humanos, revisó 116 textos de autores como: Shaskespeare, Ciceron, Pascal, Horacio, Montesquieu, Rousseau, Publio, La Bruyere, Ramos Sucre, Rubén Darío, Alcalá de los Zegries, Lazo Martí, Villaespesa, Chateaubriand, Eca de Quéiroz, Menéndez y Pelayo, Tomás Moro, Bécquer, Prevost D'exiles, Anibal Dominici, Nitzche, Valera, Vargas, Vila, Level de Goda, José Antonio Páez, Tavera Acosta, Manuel Díaz Rodríguez, Rodó Goethe, Schiller, Desiderio, Erasmo, Enrique, Bergson, Alejandro de Humboldt, Lisandro Alvarado, José Pocaterra, José María Baralt, entre otros.

A partir de su renuncia al cargo de Médico-Director del Asilo de Enajenados, el doctor Pedro Itriago Chacín, quien era Ministro de Relaciones Exteriores le otorga una beca para estudiar en la Escuela de Medicina Tropical de Hamburgo, Alemania. Los estudiantes del Hospital Vargas conocían hartamente a quien dirigía dicha escuela, el Profesor Müler. Para esa época Torrealba era políglota, pues durante sus estudios en la universidad empleó el tiempo libre para aprender y practicar, sin maestro, italiano, portugués, inglés, alemán y francés. Esto sorprendió a Müller y le abrió todas las puertas de la escuela a Torrealba, pues muchos profesores quedaron igualmente sorprendidos y maravillados con el estudiante venezolano. Mientras, José Francisco Torrealba calificaba a la Escuela de Medicina Tropical de Hamburgo, como un lugar donde no se aprendía nada diferente a lo que estaba en los libros. Su curso de Medicina Tropical se vio interrumpido por problemas de salud que lo hacen regresar a Venezuela a pocos meses de haberse ido. De igual manera, en el viaje Torrealba mostró su capacidad para relacionarse y adaptarse a ambientes sociales de prominencia. En este año, Torrealba sólo registra en su biblioteca un libro leído, La Vida de Leonardo Da Vinci .

A su regreso a Venezuela por los años 1929 se interna en Santa María de Ipire a ejercer su labor como Médico Rural. De algunos intentos fallidos por ayudar a la gente, le surge la necesidad de crear un área de experimentación, así, junto con Guillermo Pérez Gil crea un laboratorio modesto. Es durante estos años cuando conoció a Rosa Tovar, zazareña con la que decide vivir y tener hijos antes de casarse. En 1931 contraen matrimonio. Ana Isabel, Pedro Aquilino, José Witremundo, Ana Rosa, José Francisco, Ana Teresa, Sara del Pilar, Rafael Tereso, Jesús Rafael, José Ramón, José Nicolás y Ana Benigna son los doce hijos que nacen de esa unión.

En 1932 se traslada a Zaraza, localidad que permanecía en condiciones similares a las que se vivían a finales del siglo XX: escasas escuelas, insuficientes vías de comunicación, sin acueductos, sin redes de cloacas, la luz eléctrica que usaban en las noches era producida por una planta que utilizaban como combustible, población analfabeta, viviendas de paja, sin control prenatal, sin laboratorios, gente mal nutrida, sin vacunas, ni control de enfermedades venéreas. Lo único que tenían pero tampoco estaban muy abastecidas eran farmacias.

Las condiciones exigían un esfuerzo sobrehumano tanto para investigar como para ejercer la labor médica en esa localidad, ello explica porqué José Francisco Torrealba era el único médico dentro de un pueblo de cuarenta y dos mil habitantes.

Extrema ignorancia, miseria y desanimación, enfermedades tropicales, pestilencias rurales que diezman y matan, al punto de convertir una región en un campo de batalla lleno de muertos sin enfrentamiento, fue a lo que tuvo que imponerse José Francisco Torrealba con mucha perseverancia, cualidad que según Carlos Herrera a él le sobraba pero en muchos investigadores venezolanos no era conocida.

El galeno había comenzado sus indagaciones en parasitología y bacteriología en Santa María de Ipire con un viejo microscopio binocular, el cual no había podido reemplazar por no tener recursos suficientes, pues la insensatez e indiferencia de las oficinas públicas y particulares que tuvieron la posibilidad de colaborar con instrumentos necesarios, no les permitió hacerlo.

Para esa época casi todo el pueblo estaba enfermo, sólo recurrían a buscar ayuda médica cuando el aquejado estaba cercano a la muerte. Torrealba fue promotor de la salubridad en sus tierras, pues el aspecto sanitario era totalmente obviado. En esta labor lo acompañaron Luis Razetti, Pastor Oropeza, Castillo Plaza, Arnoldo Gabaldón, Enrique Tejera, Luis Gregorio Chacín, etc. José Francisco Torrealba llegó a perder el cargo de médico rural por disposición del entonces Ministro de Sanidad, cuando no aceptó la imposición "que no publicara nada en la prensa sin censura previa del Ministerio de Sanidad". Aspecto que iba en contra de su autonomía y de su vocación de divulgador de la verdad, de los problemas de sus compatriotas y de su esencia periodística, pues entre tantas pasiones que labró y colocó al servicio de la ciencia, el periodismo era la que le permitía educar a los ignorantes y dejar al descubierto las cosas que perjudicaran la salud de la sociedad.

Un médico en esa época debía tener conocimiento de las ramas de la ciencia, pues la falta de especializaciones exigía un amplio conocimiento de la sabiduría. Pero además, para el buen ejercicio de la carrera se requería y se requiere saber adaptarse a situaciones distintas, al punto de adecuar el lenguaje, conducta, actitud, intelecto y espíritu, virtud de la que José Francisco Torrealba gozaba con naturalidad.