בשנת 1935, כשאורבך השלים את הדוקטורט, שמו כבר הלך לפניו. הוא חזר לסמינר בברסלאו, הפעם כמרצה, והוא בן 23 בלבד. השנים של ערב מלחמת העולם השנייה היו שנים יפות במיוחד הן עבור הסמינר, שמשך אליו תלמידים רבים, והן עבור אורבך, שלמד, לימד, השתכר יפה והצליח להפריש מדי חודש סכום כסף שאותו שלח להוריו. אך הוא הרגיש שעתיד היהודים בגרמניה נמצא בסכנה. בשלהי שנת 1938, ימים ספורים לפני אירועי ליל הבדולח, יצא אורבך את גרמניה ועלה ארצה עם סרטיפיקט של תלמיד מחקר מטעם האוניברסיטה העברית בירושלים (רק 2,000 איש זכו לסרטיפיקט כזה). לפני עלייתו לארץ-ישראל, הוא הספיק לחגוג את חג הסוכות עם משפחתו בוולוצלבאק. היה זה המפגש האחרון שלו עם בני המשפחה, שנספו כולם בשואה.
אורבך התיישב בירושלים ועד מהרה התיידד עם חכמיה: עגנון, אפשטיין, ליברמן, אסף, פריימן ורבים אחרים. בשנת 1939 יוצא לאור ספרו הראשון, מהדורה מבוארת של החיבור הימי ביניימי
ערוגת הבושם, שעליו הוא קוצר שבחים רבים. אורבך מקבל משרת מורה בגמנסיה העברית בירושלים, מתגייס להגנה, ולאחר מכן, בשנת 1941, מתגייס לצבא הבריטי. ביולי 1942, בעידודם של משה שרת והרב יצחק הרצוג, הוא מתמנה לרב צבאי ביחידות העבריות של הצבא הבריטי. במסגרת תפקיד זה הצטרף אורבך אל הארמיה ה-8 של מונטגומרי, והתקדם איתה ללוב, תוניסיה, סיציליה ואיטליה. הוא צויד ברכב ונהג צבאי, דאג לצרכיהם של החיילים היהודים ביחידות השונות, תיווך בינם לבין מוסדות היישוב, והביא את בשורת החיים והארץ אל הקהילות היהודיות המשוחררות בצפון אפריקה ובאירופה. בשירותו הצבאי, התגלה אורבך כאיש חינוך וכאיש ארגוני ממדרגה ראשונה, אך בה בעת לא זנח את אהבתו למחקר ולספרים. בכל הקהילות שאליהן הגיע, חיפש ומצא אורבך שו"תים של חכמי צפון אפריקה, ספרים וכתבי נדירים, ורק חיכה להזדמנות לכתוב ולפרסם את הדברים. כך למשל הוא כותב מלוב בשנת 1943:
"מצאתי מצבות עתיקות, כתבי יד של פיוטים ממשוררי המקום ותעודות שונות, ואם אתפנה רוצה אני לכתוב מאמר מקיף על יהדות לוב בהווה ובעבר".
במכתב נוסף מאותה שנה, הוא כותב:
"בבית הכנסת של קהל הפורטוגיזים ישנה ספריה רבני[ת] נהדרת, אבל הם אינם רוצים למכור שום דבר – עברתי רק על בל תחמוד".
חבריו של אורבך בעורף הארץ-ישראלי גילו עניין רב במסעותיו, עודדו אותו, ולא פעם אף ביטאו את קנאתם הסמויה:
"שמחתי מאד עם מכתבך האחרון, בעיקר שהנך נמצא בעיר של ספרים, כמה אני מקנא בך! אני ממש מתפקע מקנאה. תסמוך עלי, אני כבר אחפש ואולי גם אמצא את ההזדמנות להגיע אליך. הלא אתה מכיר אותי כשאני מריח ריח של ספרים" (המו"ל שמואל והרמן); "אורבך יקירי [...] אתה טס ועושה היסטוריה עולמית, ואנחנו יושבים ועוסקים בהוויות עולם הקליפות" (א"ח פריימן).
אורבך השתחרר מהצבא הבריטי בשנת 1946, אז היה כבר נשוי לחנה לבית פינצ'ובר. הזוג התיישב בירושלים ואורבך החל לנהל את בית ספר "מעלה". לאחר ארבע שנים הוא עבר למלא תפקידים שונים במשרד החינוך, ובשנת 1953 התמנה למרצה בחוג לתלמוד באוניברסיטה העברית. במשך השנים היה נתון ראשו ורובו למחקרים בתחום התלמוד, התקדם לדרגת פרופסור מן המניין, היה חבר באקדמיה ללשון ובמועצה להשכלה גבוהה ועוד. החל משנת 1969, עמד אורבך בראש האיגוד העולמי למדעי היהדות, ועוד לפני כן היה הכוח המניע מאחורי הקונגרסים למדעי היהדות שהתקיימו מדי ארבע שנים בירושלים. אלא שאורבך לא הסתפק בקריירה אקדמית בלבד. הוא הרבה לבטא את עמדתו בסוגיות דת ומדינה, חינוך, יהדות וענייני השעה. בשנת 1966 הקים את "התנועה ליהדות של תורה", ומאז ומתמיד כתב והרצה את משנתו בשאלות ציבוריות בפורומים שונים.
בשנים 1986-1980 כיהן אורבך כראש המכון למדעי היהדות באוניברסיטה העברית בירושלים וכנשיא האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים.
ארכיון אפרים אלימלך אורבך, השמור ומקוטלג בספרייה הלאומית, מגלה שדעותיו נשמעו בעניין רב גם על ידי קברניטי המדינה, ולא פעם נעשה בהן שימוש רשמי על-ידי משרד החוץ או גורמים ממשלתיים אחרים. אישיותו הציבורית, והיותו דמות מוכרת גם מחוץ לכותלי האקדמיה, הביאו להצגת מועמדותו לתפקיד נשיא המדינה בשנת 1973, מטעם מפלגות גח"ל והמפד"ל.
אורבך פרסם ספרי יסוד אחדים שהיו לנכסי צאן ברזל במחקר התלמוד, כמו
בעלי התוספות (1955), שעליו זכה בפרס ישראל,
חז"ל – פרקי אמונות ודעות (1969) ועוד. מאמרים נוספים שפורסמו בעיתונות ובכתבי עת, או שנמצאו כטיוטות בארכיונו האישי, פורסמו לאחר מותו בידי תלמידיו בשלושה כרכים בשם
מחקרים במדעי היהדות (1998). מתוך ארכיונו האישי, עולה שבשנים האחרונות לחייו הוא הרבה לעסוק בחקר יהדות פולין ובספרות השו"ת שלה, אך רק מעט מחומר זה התפרסם. אפרים אלימלך אורבך נפטר בב' בתמוז תשנ"א, 1991. הארכיון האישי שלו נתרם לספרייה הלאומית על ידי בני משפחתו, והוא נגיש מעתה דרך קטלוג הספרייה.
