En 1951, Marcel Roche decide regresar, junto a su esposa Maruja y sus dos hijas, Antoinette y Nöelle, a Venezuela. Era la primera vez, después de tantos años en el extranjero, que se establecía definitivamente en la tierra que lo vio nacer. Sus primeras actividades en el campo profesional las realizó junto al reconocido científico venezolano, Francisco De Venanzi, quien le ofreció trabajar en su consultorio privado y lo invitó a ejercer en la Cátedra de Fisiopatología, en la Universidad Central de Venezuela.

Roche y De Venanzi fundaron el Laboratorio Médico Analítico, ubicado en el edificio Zarikian del Puente Mohedano, en Caracas. Paralelamente, Roche trabajaba en el Hospital Vargas durante las mañanas, experiencia que le permitió conocer de cerca las enfermedades características de la región tropical, como la esquistosomiasis y la anquilostomiasis.

Ejerció la actividad privada de la medicina sólo por un año, y se dedicó por completo a la investigación. "Desde el comienzo, sin embargo, dediqué parte de mi tiempo a la investigación clínica, estudiando el metabolismo de los electrolitos - sodio, potasio, cloro - en diferentes circunstancias patológicas. El sodio y el potasio lo determinaba, junto con Andrés Gerardi, en un fotómetro de llamas que era entonces aparato novedoso en el país. Los resultados se incorporaron en mi tesis de grado de doctor y lo publiqué luego, en 1954, en Trastornos del sodio y del potasio, que editó Paz Montalvo en Madrid". (Roche, 1995, p.112)

Marcel Roche contribuyó, junto a destacados científicos venezolanos, a sentar las bases para la consolidación de la actividad científica en la Venezuela de 1950. Gracias al aprendizaje obtenido en el extranjero, Roche y De Venanzi emprendieron, por su parte, la tarea de establecer en la enseñanza y la investigación el modelo informal de hacer ciencia, a partir de la creación del Instituto de Investigaciones Médicas de la Fundación Luis Roche en 1952, y luego en el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC).

Transcurrían los tiempos del régimen del General Marcos Pérez Jiménez, y aunque la actividad científica en Venezuela aún era incipiente, existía la preocupación de un grupo de hombres y mujeres por otorgarle a la ciencia un puesto relevante en el país.

El 23 de enero de 1958 es derrocado el General Pérez Jiménez. Antes de la caída del régimen, el reconocido científico, Humberto Fernández Morán ejercía el cargo de Ministro de Educación y era, además, director del Instituto Venezolano de Neurología e Investigaciones Cerebrales (Ivnic), institución que luego adoptaría por nombre Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC). Por razones políticas, Fernández Morán pide asilo en Estados Unidos, y es Marcel Roche quien toma las riendas del Ivnic. Es entonces cuando a través del Ministerio de Sanidad y Asistencia Social, se conformó una comisión integrada por destacados investigadores y científicos como Félix Pifano, Gabriel Chuchani, Marcel Granier, Luis Carbonell, Manuel Bemporad y Martín Vegas, quienes aunaron esfuerzos para evaluar la trayectoria de la institución y considerar los nuevos cambios destinados a mejorar y ampliar su funcionamiento.

Desde el seno del IVIC, Roche, gracias al trabajo de reconocidos investigadores nacionales e internacionales, abocó sus esfuerzos por hacer de esta institución una de las más prestigiosas de Latinoamérica y el mundo. "Al inicio lo que nos inspiró para poner en marcha un determinado programa fue la existencia, en el país o fuera de él, de personas calificadas en la investigación, de un alto nivel, en torno a los cuales se crearía un grupo, y para quienes se compraría el equipo necesario y no al revés, como se había hecho hasta entonces. Tuvimos la suerte de poder contar con individuos como Tulio Arends y Miguel Layrisse (hematología), Raimundo Villegas (biofísica), Gloria Villegas (microscopía electrónica), Gunnar Svaetichin (neuro-fisiología) y Gernot Bergold (virología) que fueron pioneros en sus respectivos campos. La fórmula resultó, y bien pronto llegamos a tener un buen número de investigadores, que publicaban al más alto nivel en buenas revistas, con los escritos sometidos a arbitraje por terceros". (Roche, 1995, p.145)

En 1967, durante el gobierno del presidente Raúl Leoni, fue aprobada por el Congreso Nacional Venezolano, la ley de creación del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (Conicit), y en 1969, durante el inicio del mandato presidencial de Rafael Caldera, Marcel Roche fue nombrado presidente de dicha institución. Aunque durante su gestión en el Conicit, Roche tuvo que enfrentar distintas vicisitudes, causadas por factores políticos, su actuación se caracterizó por la defensa del desarrollo y el progreso científico a cualquier escala.

Pero además, este investigador también ha destacado en importantes y prestigiosas organizaciones como la Academia de Ciencias del Tercer Mundo, la Academia de Ciencias de América Latina, la Academia Pontificia del Vaticano, la Universidad de las Naciones Unidas, de cuyo Consejo fue presidente, y el Movimiento Pugwash, el cual integra a reconocidas figuras de distintos campos, que llevan a cabo una misma causa: la lucha por la paz mundial.