Свою карьеру Патон начал как инженер-мостовик. Он проектировал мосты, преподавал в Петербурге и Москве, а в 1901 году защитил диссертацию, став профессором.
В 1904 году его пригласили заведовать кафедрой мостов в Киевском политехническом институте, где он работал до 1938 года. За это время по его проектам было сооружено более 40 мостов оригинальных конструкций, включая Мухранский мост в Тбилиси и мосты в Киеве. Во время Первой мировой войны он разработал конструкцию разборных мостов, победив на международном конкурсе самого Гюстава Эйфеля.
Патон создал методы расчёта рациональных конструктивных схем металлических пролётных строений мостов, исследовал условия их работы и разработал способы восстановления разрушенных мостов. Его фундаментальный четырёхтомный труд «Железные мосты» стал классическим.