Come ufficiale medico dell'Ospedale militare di Baggio, fu nominato, grazie alla sua conoscenza della lingua tedesca, ufficiale di collegamento tra la Direzione dell'Ospedale e il Comando germanico di Milano, ruolo che gli consentì di contrastare alcuni progetti nazisti di deportazione di soldati e di prigionieri.
Alla Liberazione fu nominato Sovrintendente sanitario della Pontificia commissione di assistenza ai profughi e ai reduci dai campi di concentramento. L'esperienza partigiana, che gli fruttò il riconoscimento di partigiano combattente, è stata poi ricordata da Cazzullo nel libro "Un medico per la libertà. Una testimonianza della Resistenza a Milano", pubblicato nel 2005. Impegnato sia presso il Policlinico di Milano sia presso l'Ospedale di Gallarate nell'ambulatorio di neurologia, nel dopoguerra vinse una borsa di studio per ricerche di neurologia sperimentale presso il Rockfeller Institute di New York dove restò tra il 1947 e il 1949 entusiasta delle disponibilità e della apertura alla sperimentazione dell'Università americana. In questo periodo iniziò a pubblicare i risultati delle sue ricerche maturando la convinzione della necessità di rendere autonoma la psichiatria dalla neurologia e di sviluppare una specifica attenzione all'aspetto psicologico del paziente. La separazione delle due discipline con il pieno riconoscimento dell'autonomia della psichiatria fu sancita con la legge 238 (cosiddetta "Legge Cazzullo") approvata nel 1976.
Nel 1952 sposò Luciana Masserini da cui ebbe la figlia Anna; rimasto vedovo nel 1956, nel 1958 vinse la cattedra di Malattie nervose e mentali dell'Università di Milano e nel 1959 ricoprì la prima cattedra italiana di Psichiatria. Forte di questo ruolo, fondò ad Affori il padiglione psichiatrico Romeo Vuoli e, nel 1963, il padiglione di Psichiatria d'urgenza Guardia II all'interno del Policlinico di Milano. Risposatosi nel 1962 con Adriana Guareschi, nel 1963 ebbe una seconda figlia, Alessandra. Negli anni si sono susseguiti riconoscimenti accademici e impegni professionali in Italia e all'estero: collaborò infatti con l'Associazione dei medici cattolici italiani, il Consiglio nazionale delle ricerche - CNR, il Collegium internationale neuro-psychopharmacologicum - CINP, la Società italiana di psichiatria - SIP, l'Organizzazione mondiale della sanità - OMS, la World Psychiatric Association - WPA; ha fondato il Centro studi sclerosi multipla di Gallarate e un analogo Centro presso la Fondazione Don Gnocchi di Milano, l'Associazione ricerche sulla schizofrenia - ARS e la Fondazione Legrenzi Cazzullo per il disagio psichico e familiare onlus; è stato insignito di numerosissimi premi e riconoscimenti e ha pubblicato oltre un migliaio di scritti scientifici e articoli.