Praca Pracę w Państwowym Instytucie Geologicznym Zenon Gajewski podjął jeszcze jako student w 1950. Początkowo był praktykantem w Wydziale Geologii Technicznej. Zajmował się dozorem i nadzorem wierceń na terenie całego kraju, na złożach kruszywa naturalnego oraz surowców ceramicznych. W 1952 został przeniesiony jako pracownik krótkoterminowy do Sekcji Żwirów i Piasków w Wydziale Surowców Skalnych i Niemetalicznych, kierowanym przez Władysława Bobrowskiego. W tym samym roku został pracownikiem etatowym Instytutu.
Po ukończeniu studiów w 1953 otrzymał nakaz pracy w Instytucie Geologicznym. Został młodszym pracownikiem naukowym, a następnie asystentem w tym samym Wydziale, przemianowanym później na Zakład Surowców Skalnych. Od 1952 do 1955 badał wystąpienia i złoża piasków formierskich koło Starachowic oraz wapieni na Roztoczu. W 1954 został kierownikiem Sekcji Złóż Kamieni Budowlanych, przemianowanej w 1955 na Pracownię Złóż Surowców Węglanowych. Kierował nią do 1977. W lutym 1955 został starszym asystentem, a w 1961 został przez Radę Naukową Instytutu Geologicznego mianowany adiunktem.