Entre los años 1276 y 1281 Arnau de Vilanova vive en Valencia, ciudad en la cual posee propiedades y aparentemente está muy arraigado. El año 1281 el rey Pedro II lo nombra médico personal, quizás gracias al obispo de Valencia, Jaspert de Botonac, a quien Arnau dedica una epístola contra la nigromancia. Inicia, pues, una nueva etapa en Barcelona que durará hasta la muerte del rey (1285). Durante este periodo estudia hebreo con Ramon Martí y traduce Galeno del árabe al latín. Es posible que su traducción de Avicena fuera de la misma época, mientras que la de Abu-l-Salt parece anterior. Muerto el rey, al cual asistió en la enfermedad que lo llevó a la tumba, sigue vinculado con el nuevo rey Alfonso como médico, pero vuelve a Valencia (entre 1285 y 1290).
Aproximadamente entre 1290 y 1300 Arnau es profesor de medicina en Montpellier, en aquel tiempo la escuela médica más prestigiosa de la Europa latina, justo después de fundarse en 1289 la universidad, que reunía las escuelas precedentes. En este periodo se pueden datar muchas de sus obras médicas, algunas de ellas vinculadas a la docencia y otras de reflexión. Entre ellas hay comentarios de Hipócrates y Galeno, una adaptación de Galeno, tratados de medicina teórica, obras de farmacología y libros de aforismos. En cambio, la mayoría de sus obras de medicina práctica, que incluyen algunas síntesis y algunos escritos específicos, eluden la datación. La gran contribución de Arnau consistió en no limitarse a los textos utilizados tradicionalmente empleados en la enseñanza médica o en las enciclopedias médicas árabes sino en introducir en la docencia el llamado «nuevo Galeno», formado por traducciones todavía no conocidas en las universidades europeas. La concepción arnaldiana de la medicina como una técnica fundamentada en el sistema de las ciencias medievales la alejaba de una simple práctica empírica y a la vez preservaba su autonomía frente a la filosofía natural. Este galenismo renovado en Montpellier fue reconocido y oficializado por el nuevo currículum aprobado por Clemente V, con el consejo de Arnau de Vilanova, en 1309. Sin duda, el paso de Arnau por Montpellier dejó una larga impronta, que se puede rastrear al menos hasta el siglo XV.
