Năm 1947, ông được giao nhiệm vụ liên lạc ở Ban Tuyên truyền chiến khu 3 (sau là Sở Thông tin Liên khu 3, nơi cha ông làm việc), hàng tuần đạp xe đưa bài đến nhà in để in báo. Phát hiện ông có năng khiếu mỹ thuật, họa sĩ Mai Văn Nam đã dạy vẽ riêng cho ông. Ông được chọn dự lớp hội họa kháng chiến (mở tại đình Phù Lưu Chanh, gần chợ Dầu, Bắc Ninh).
Sau, ông được điều về Ty Thông tin Hưng Yên, vẽ tranh cổ động, tuyên truyền cho kháng chiến. Năm 1950, ông chính thức vào quân đội, về Trung đoàn 34 làm việc ở báo Tất Thắng, sau đó ông được điều sang làm báo Quyết Thắng của Đại đoàn 351 công pháo. Trong chiến dịch Điện Biên Phủ, báo Quyết Thắng được in và phát hành ngay tại mặt trận.
56 ngày đêm khoét núi ngủ hầm, mưa dầm cơm vắt, đối mặt với từng khoảnh khắc nóng bỏng nơi mặt trận, người nghệ sĩ - chiến sĩ Phạm Thanh Tâm đã vừa chiến đấu, vừa ghi lại những ký họa ngay trong chiến hào. Ông luôn tâm niệm, phải giữ gìn lịch sử và truyền đến thế hệ sau hơi thở của quá khứ bằng những tác phẩm nghệ thuật. Điện Biên Phủ 1954, Xuân trong hầm pháo Điện Biên Phủ, Pháo cao xạ chiến đấu trên cánh đồng Mường Thanh, Chèn pháo, Đường lên Điện Biên, Sơn pháo 75 ly bắn thẳng, Trên mồ liệt sĩ Điện Biên Phủ, Thời gian khổ, Cô gái Thái ở Điện Biên, Chiến sĩ cao xạ viết thư về hậu phương ngay giữa chiến trường… là những tác phẩm ra đời tại mặt trận, những ký họa chiến trường của ông có sức truyền cảm mạnh mẽ, trở thành niềm tự hào, làm rạng ngời thêm những trang sử vàng Điện Biên Phủ.
Kháng chiến chống Mỹ, ông tình nguyện vào miền Nam chiến đấu. Đường Trường Sơn, chiến trường Khe Sanh, Quảng Trị… còn ghi dấu chân ông. Nhiều ký họa trực tiếp trên chiến trường như: Cửa ngõ Sài Gòn 30-4-1975, Sâu thẳm rừng Trường Sơn, Ngày xưa Quảng Trị… ra đời chân thực và xúc động. Kháng chiến và hội họa như hai yếu tố gắn bó và làm nên cuộc đời của họa sĩ Phạm Thanh Tâm.
Nhắc đến Phạm Thanh Tâm, người ta không khỏi nhớ đến tác phẩm Xuân trong hầm pháo Điện Biên Phủ. Ông chia sẻ, bản thứ nhất ông vẽ trên giấy, từng tham gia triển lãm mỹ thuật toàn quốc năm 1954. Bản thứ hai này do Bảo tàng Mỹ thuật TPHCM sưu tầm năm 1994. Tranh vẽ 10 anh bộ đội và 4 cô văn công. Một cô gõ phách, một cô trong trang phục người Thái chuẩn bị ra sân khấu. Hai cô mặc áo tứ thân, vẫy tung tấm lụa hồng khiến căn hầm trở nên rạng rỡ. Vẻ thích thú say mê hiện rõ trên gương mặt các anh bộ đội. Phút giây căng thẳng của trận chiến dường như tan biến...
Khoảng đầu tháng 12-1953, các binh đoàn chủ lực của ta như F 308, 312, 351, 316, 304… bất ngờ hành quân lên Tây Bắc, tiến vào Điện Biên. Bí mật xuyên rừng, đêm đi, ngày ngủ. Rồi làm đường kéo pháo, kéo pháo ra rồi lại kéo vào... Chúng tôi nào để ý bấy giờ là những ngày giáp tết, hoa ban đang nở trên đầu. “Bức tranh cho tôi nhớ nhiều kỷ niệm, nhớ dòng Nậm Rốm, cầu Mường Thanh, nhớ mặt trời sớm Điện Biên mọc lên từ phía Pú Hồng Mèo, tôi nhớ đồi A1, nhớ các anh, nhớ hoa ban”, người họa sĩ già rưng rưng khi nói đến Rừng trắng hoa ban.
Suốt cuộc đời cách mạng và hoạt động nghệ thuật, Phạm Thanh Tâm đã có hàng ngàn tác phẩm từ sơn dầu, bột màu, lụa về đề tài người lính, đời sống, tình quân dân trong chiến tranh đến các ký họa bút chì, chì than, bút sắt… ghi lại những sự kiện lịch sử từ chiến trường. Vậy nhưng, “đến giờ, đề tài người lính, chiến trường Điện Biên Phủ vẫn luôn tràn đầy trong tôi. Có lúc tôi thấy mình như vẫn còn mắc nợ với lịch sử”, Phạm Thanh Tâm chia sẻ.
“Kỷ niệm 43 năm ngày giải phóng hoàn toàn miền Nam thống nhất đất nước, Bảo tàng Mỹ thuật TPHCM tổ chức trưng bày chuyên đề “Phạm Thanh Tâm - Kháng chiến và hội họa” nhằm tri ân người chiến sĩ đã có công đóng góp sức lực cho cuộc chiến tranh vệ quốc của dân tộc, tôn vinh người nghệ sĩ đã đóng góp trí lực làm vẻ vang thêm trang sử Việt Nam bằng những tác phẩm nghệ thuật”, bà Nguyễn Kim Phiến, Phó Giám đốc Bảo tàng Mỹ thuật TPHCM, cho biết. Chuyên đề giới thiệu đến công chúng 15 tác phẩm của họa sĩ, nhà báo, đại tá Phạm Thanh Tâm với nhiều chất liệu như sơn dầu, lụa, bột màu, màu nước, chì than, mực nho, bút dạ, bút sắt và bộ ký họa 68 bức được tác giả vẽ trực tiếp trên chiến trường.