Da volta ao Brasil, galgou cargos importantes no BC. Em 1999, foi indicado para a chefia do recém-criado Departamento de Estudos e Pesquisas, posição em que permaneceu por dois anos. Assumiu sob forte pressão, porque, naquele ano, o Brasil sofrera um forte ataque especulativo, e o BC teve que abandonar a âncora cambial.
À época, o chefe de Tombini na Presidência do BC era Arminio Fraga, que 15 anos depois viria a disputar com o então subordinado a indicação para comandante da política econômica, já que num eventual governo Aécio Neves (PSDB), Fraga seria o ministro da Fazenda. Tombini sempre manteve uma postura de cordialidade com Fraga.
Da mesma forma como fez quando o BC foi comandado por Henrique Meirelles, que também chegou a ser cogitado para o cargo de ministro da Fazenda, no segundo governo Dilma. Tombini ocupou cargos importantes no banco durante os oito anos em que Meirelles foi presidente, de 2003 a 2010, entre os quais o de diretor de Diretor de Normas e Organização do Sistema Financeiro, entre abril de 2006 e dezembro de 2010.