Poco antes de concluirlos, su deseo de regresar a Lérida le llevó a presentarse a las oposiciones a cátedras de Latín y Griego de Instituto de esta localidad, ganándolas con brillantez y tomando posesión de la plaza el 1 de agosto de 1863. Al año siguiente obtiene la licenciatura y en 1865 el grado de doctor en Filosofía y Letras en la Universidad Central de Madrid. En 1866 obtiene por oposición la plaza de catedrático supernumerario de Griego, Hebreo y Árabe de la Universidad de Granada. En 1868 es nombrado catedrático numerario de Griego en la misma Universidad, pasando a los pocos meses a la misma cátedra de la Universidad de Zaragoza. En 1874 ganó por concurso la Cátedra de Árabe de la Universidad Central de Madrid, que ocupó hasta su jubilación.

Sus trabajos como historiador estuvieron sobre todo dirigidos a reunir y ordenar un extenso corpus documental que permitiera escribir la historia de la dominación musulmana en España, trabajando para ello la numismática hispano-árabe, la epigrafía y las fuentes árabes.

Discípulo de Pascual de Gayangos es considerado el creador de la moderna escuela de arabistas españoles y el introductor de la filología en el estudio de la historia. Entre sus discípulos, los llamados “beni Codera”, se cuentan, entre otros, Julián Rivera, Mariano Gaspar Remiro, Miguel Asín Palacios y Andrés Giménez Soler.

En 1879 fue elegido miembro de la Real Academia de la Historia, tomando posesión el día 20 de abril de ese mismo año. Su discurso de ingreso versó sobre la conquista de Aragón y Navarra por los musulmanes, siendo respondido por Vicente Lafuente.

En 1888 viajó, comisionado por el Gobierno, a Argelia y Túnez, visitando bibliotecas públicas y privadas, copiando o extractando y adquiriendo importantes obras arábigas para la historia de España. Fruto de este viaje fue la obra Misión histórica en la Argelia y Túnez (1892).

Se jubiló anticipadamente en 1902, cediendo todos sus archivos a su sucesor en la Cátedra de la Universidad de Madrid, Miguel Asín Palacios, que posteriormente, los donó a la UNED. En 1904 recibió un homenaje de sus discípulos, que publicaron un libro en su honor, Homenaje á D. Francisco Codera en su jubilación del profesorado: estudios de erudición oriental (1904).

En 1910 ingresó en la Real Academia Española, ocupando la silla h. Tomó posesión el 15 de mayo de 1910 con el discurso titulado Importancia de las fuentes árabes para conocer el estado del vocabulario en las lenguas o dialectos españoles desde el siglo VIII al XII. Le respondió, en nombre de la corporación, Ramón Menéndez Pidal.

Entre sus numerosas publicaciones cabe destacar, además de las ya citadas: Importancia del estudio de la lengua árabe, en especial para ilustrar la historia primitiva de Aragón (1870); su magistral Tratado de numismática arábigo-española (1879); Elementos de gramática árabe para uso de los alumnos (1886); Decadencia y desaparición de los almorávides en España (1899); Estudios críticos de historia árabe española (1903) y Estudios críticos de historia árabe española. Segunda serie (1917).

Como editor, acometió la publicación de la Bibliotheca Arabico-Hispana, de la que llegó a publicar diez volúmenes entre 1882 y 1895, imprimiendo por vez primera las obras de varios autores andalusíes cuyos códices se conservaban en la Real Biblioteca del Escorial.

Publicó también numerosos artículos, sobre todo en el Boletín de la Real Academia de la Historia.

Falleció en Fonz (Huesca), su pueblo natal, el día 6 de noviembre de 1917.