Pour compléter sa formation scientifique il allait à Toulouse où le remarqua le professeur Edouard Filhol professeur à la faculté d'État. Il commença avec lui une collaboration et obtint avec son maître une première publication en 1881 (Action du souffre sur diverses solutions métalliques, Comptes rendus hebdomadaires de l'académie des sciences, 1881, 93, 152) Il s'ensuit une collaboration jusqu'à la mort de Filhol en 1883 où Senderens finit de réécrire une ouvrage sur "l'analyse des nouvelles sources minérales de Bagnères de Bigorre. Senderens, comme à l'habitude en cette époque et parce qu'il avait connu les ravages de la vigne dans sa Bigorre, aimait aussi travailler sur la chimie de la vigne et du vin. Il réalisa un nouveau procédé de chauffage des vins, analysa et proposa des traitements contre le mildiou et le phylloxera etc...En 1883, l'Institut catholique de Toulouse devant former des professeurs ayant une licence de sciences pour les écoles privées, dut ouvrir une formation scientifique, l'Ecole supérieure des Sciences, elle fut confiée à l'abbé Senderens. Il créa de bric et de broc une salle de travaux pratiques de physique et de chimie, et un enseignement de chimie. En 1888, à Pâques il soutint une thèse de doctorat de philosophie probablement à l'université Grégorienne de Rome, il l'obtint "plenis suffragiis favorabilibus".
Paul Sabatier le convainquit qu'il devait faire un doctorat d'Etat de vraie chimie et non pas de chimie du vin et il soutint son doctorat es sciences en 1892 sur l'action du soufre sur les oxydes et les sels en présence de l'eau. Pendant sa soutenance, il fut brillant quoique sa seconde thèse sur les actions chimiques de l'électricité fût plus difficile. Mais il obtint brillamment son doctorat avec les félicitations de Paul Sabatier. Son Excellence Révérendissime Monseigneur Prosper Marie Billère le fait chanoine honoraire de son chapitre cathédrale à cette occasion.
Le 9 décembre 1905, la loi de séparation des églises et de l'état est votée, Senderens perd son traitement de professeur prêtre.
En 1907 la collaboration s’arrête, quoique Senderens continue d’utiliser la catalyse mais avec des oxydes et des sels, thorine, alumine, sulfate d’aluminium…
En 1911 arriva un évènement que Senderens eut du mal à supporter. Dans une conférence devant l’académie de chimie de Berlin où Sabatier est invité le 13 mai 1911, Sabatier indique « Je vais vous entretenir de la méthode générale d’hydrogénation directe par les métaux divisés, que j’ai instituée depuis une dizaine d’années avec la collaboration de mes élèves, M Senderens d’abord, puis M Mailhe… ». En lisant ce texte dans la revue scientifique le chanoine Senderens est furieux, il écrit « M Sabatier a une tendance assez prononcée à se faire le seul auteur de ces méthodes ». Sabatier réagit dans le journal allemand où est initialement paru le texte de sa conférence (Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 1911, 3180) en indiquant « Certains passages de mon exposé concernant la participation de Monsieur Senderens aux méthodes tracées par moi, pourraient recevoir une interprétation qui est totalement opposée au sens voulu par moi. Je tiens à préciser qu‘il était absolument loin de moi de minimiser les mérites de Monsieur Senderens, bien connus, dans la découverte en mon laboratoire des méthodes des hydrogénations et déhydrigénations par catalyse. Ces méthodes comme cela est communément exprimé par la formulation habituelle procédé Sabatier-Senderens“, sont élaborés par un travail qui nous est commun». A partir de ce moment, peut être parce que le bruit court que Paul Sabatier va avoir le Prix Nobel, Senderens se lance dans la rédaction de trois volumineux articles de revue sur la catalyse (à l’image de celui que Sabatier a fait à Berlin). Un article paru en octobre 1912 dans la revue des questions scientifique, deux articles dans les annales de physique et de chimie en 1912 et 1913, dans ces articles il met en valeur le procédé Sabatier Senderens et la part importante et originale de Senderens.
En novembre 1912, par voie de presse Paul Sabatier apprend qu’il partageait le prix Nobel de chimie… avec Victor Grignard. Voilà ce qu’écrit Mary Jo Nie (Science in the Provinces: Scientific Communities and Provincial Leadership in France, 1860-1930, University of California Press, 1986), à ce sujet « Alors que Sabatier attribuait son élection à l’influence des chimistes allemands avec lesquels il avait parlé à Berlin. Il devait son prix en fait à Gaston Darboux, secrétaire perpétuel de l’académie des sciences (qui avait nommé Sabatier et Georges Urbain) et aussi à O. Widman un membre de l’académie royale des sciences de Suède (qui avait nommé Sabatier et Grignard). Des propositions de Sabatier avait été faites en 1907 et Clément Georges [www.annales.org/archives/x/lemoine3.html Lemoine] (membre de l’académie des sciences) proposa Sabatier et Senderens pour un prix commun. Le prix Nobel de chimie Ernst Büchner fut le seul Allemand à proposer Sabatier en 1911. La récompense de Sabatier a été la seule occasion dans la période 1901-15 pour une protestation à l’académie. Elle vint tranquillement de Senderens, qui envoya un dossier sur sa longue collaboration avec Sabatier en notant « M. Sabatier parait marquer une tendance assez prononcée à se faire le seul auteur de ces méthodes ». Il y eut donc un froid. « Mais un jour vint où ils se rencontrèrent face à face, à l’Académie croyons nous, Sabatier tendit la main, que Senderens reçu avec son large sourire. ». Sabatier cita six fois le nom de Jean-Baptiste Senderens dans son discours à l’académie royale des sciences de Stockholm lors de la réception du prix Nobel qu’il partagea avec Victor Grignard, le 10 décembre 1912.