In dieser Situation beschloss Denis, sich auf eine "technische Bildungsreise" nach England und den Vereinigten Staaten zu begeben. In England kam es zu einem Treffen mit George Stephenson, dem Pionier des dortigen Eisenbahnwesens. Nach seiner Rückkehr nach Deutschland im Jahr 1832 nahm Denis eine Ingenieursstelle in Rosenheim und München an. Sein Wunsch, für die bayerische Abgeordnetenkammer zu kandidieren, wurde ihm wegen seiner oppositionellen Gesinnung verweigert. Auch die Bauleitung des Ludwigs-Main-Donau-Kanals wurde ihm nicht übertragen, da er Zweifel an der Finanzierbarkeit der bestehenden Pläne geäußert hatte. Stattdessen beauftragte ihn die Regierung mit dem Bau der ersten deutschen Eisenbahnlinie: der Ludwigs-Eisenbahn Nürnberg-Fürth (1834-1835). Nach der Fertigstellung dieses Meisterstücks erhielt Denis weitere Aufträge für die Linien München-Augsburg und die Taunusbahn (Frankfurt/Main-Wiesbaden-Mainz). In der Pfalz baute er zwischen 1844-49 die Ludwigsbahn. Für seine Verdienst wurde er 1852 in den persönlichen Adelsstand erhoben und in die französische Legion d’honneur aufgenommen Außerdem erhielt er das Ritterkreuz Philipp des Großmütigen von Hessen-Darmstadt. 1856 wurde er Baudirektor der Bayerischen Ostbahnen, 1858 Oberbaurat und 1865 Vorsitzender der Planungskommission für die Rheinbrücke Mannheim-Ludwigshafen. Im Ganzen hat er seit 1856 fast 1000 Kilometer Eisenbahnlinie in Deutschland gebaut. Paul-Camille von Denis starb am 3 September 1872 in Bad Dürkheim.