1912年学成回国后，先后任交通部路政司属官和京汉铁路管理局副局长、津浦铁路管理局局长。1920年起任交通部次长、全国铁路督办和交通银行副总裁、中国国际运输局局长、币制局局长等职。1922年徐世章离任后寓居天津，任铁路学院名誉董事、天津耀华中学董事、工商学院董事长、天和医院董事长等闲职。徐世章一生热心于文物收藏和玉器的收藏。作为津门房地产开发的先驱，徐世章因其精通建筑学，具有经济头脑，又极富远见，故房地产业做得红火兴旺，为家族奠定了基业。他购置房产，兴办教育、医务、实业，乐善好施，热心公益事业，所以在当时寓居天津的开明绅士中有较高威望。解放后，徐世章积极投身新中国的建设事业。1952年为抗美援朝徐世章卖房捐献15000元购买飞机大炮；为支持国家经济建设，认购10年期公债25000元，是当时私人认购公债数额最高者之一。在晚年，他老人家又决定将自己耗尽一生心血收购又极为钟爱的近3000件文物全部无偿捐献给国家，1954年去世，享年68岁。徐世章过世后，家人遵其遗嘱献了文物，这些文物，现收藏于天津市艺术博物馆。其中古玉和古砚两类，构成了该博物馆这两项的主要藏品。1999年，在徐世章先生诞辰110周年之际，天津艺术博物馆出版了画册，全国政协主席李瑞环为其题辞：“珍宝无价，爱国情深”。