民国16年，他的才能引起东北矿务局总办王正甫的重视。王遂向张学良推荐蔡正粹。被委任为总局机械工程师，享受矿长待遇。此后，在八道壕煤矿、复州湾煤矿任工程师，从事煤矿的动力机器设计制造。

民国20年九一八事变后，蔡正粹回到上海，先在其父蔡方源开办的上海协泰机器厂帮忙。同年11月，在虹口西华德路（现长治路）的住所创办了四方机电工程公司（上海四方锅炉厂和上海工业锅炉厂前身），自任经理。

同年底，上海大隆机器厂厂长严庆祥，正在筹建常州民丰纺织印染厂（现常州国棉二厂），需要一台工业锅炉。蔡正粹获悉后，以比进口货便宜一半的价格，承接了此项工程。当年他利用从父亲破产厂分到的机器和厂房，在公司建立机器制造厂，独立经营。民国25年10月，设计制造成功中国第一台水管锅炉，揭开了中国自制工业锅炉的历史。同年12月，这台锅炉按期安装在常州民丰纺织印染厂，质量达到当时国际先进水平。取名为“四方式水管锅炉”，又称“蔡氏安全水管锅炉”。

民国29年底，他向社会招股，成立了四方工程股份有限公司。民国34年，日本投降后，改组成三人合资的四方机器厂。同年底，四方机器厂一分为三，即蔡正粹的四方机电工程公司，傅云先（蔡妻）的四方铁工厂，傅兆云（蔡妻弟）的中建锅炉厂。民国36年9月，蔡正粹将公司改名为四方工程公司机械厂。次年，承接了为上海招商局制造“江华”轮船用的锅炉的业务。到1949年，制造成功了2台2000马力的锅炉装在船上，经试航，总蒸发量比原来多4台。为此，蔡正粹受到了中国人民解放军驻招商局管制委员会的好评。同年，他又设计制造了3台2吨人字形船用锅炉，支援了解放舟山的战役。

1955年，四方锅炉厂公私合营后，他任第一副厂长，主管技术工作。1959年，他设计制造了1000吨水压机，结束了中国锅炉汽泡封头靠人工敲制的历史。1960年和1961年，他连续2年被评为上海市先进工作者。他是中国工业锅炉的创始人，也是上海四方锅炉厂的奠基人。还历任上海市提篮桥区工商联常委、“九三”学社闸北区支社顾问、闸北区政协委员、提篮桥区和闸北区人大代表等职。