Tháng 9/2009, để tiếp bước con đường của cha, anh đã viết đơn tình nguyện thực hiện nghĩa vụ quân sự và được công tác tại Sư đoàn BB9, Quân đoàn 4, sau đó được đơn vị gửi đi đào tạo lớp Tiểu đội trưởng súng máy 12,7mm tại Trường Quân sự. Với thành tích học tập, rèn luyện tốt, anh được Nhà trường giữ lại làm cán bộ khung. Sau gần hai năm công tác và hoàn thành thêm khóa học Trung cấp Trinh sát tại Quận Gò Vấp, Tp.HCM, tháng 10/2013, Trung úy CN Phan Văn Thọ được phân công về Tiểu đoàn ĐC60/Bộ Tham mưu. Những ngày đầu, khi nhận nhiệm vụ ở một môi trường mới, chuyên ngành khác, một Binh chủng đặc biệt, anh gặp phải những khó khăn nhất định nhưng với tinh thần tự học, tự rèn, không ngừng nâng cao trình độ chuyên môn, anh nhanh chóng hòa nhập và thực hiện tốt các nhiệm vụ được giao.
Năm 2014, trong Hội thao võ chiến đấu tay không Lực lượng vũ trang Quân khu lần thứ nhất, Trung úy CN Phan Văn Thọ được chỉ huy các cấp tín nhiệm chọn vào đội tuyển của đơn vị. Đây là nhiệm vụ hết sức khó khăn bởi từ trước đến nay chưa có cấp nào tổ chức về nội dung này, nên kinh nghiệm thi đấu còn hạn chế. Dù vậy, anh xem đây là cơ hội nhằm thử thách bản thân để tiếp tục phấn đấu, rèn luyện. Được sự chỉ đạo của chỉ huy và huấn luyện viên của Trung tâm TDTT Quốc phòng 2, anh đăng ký tham gia thi đấu ở hạng cân 64 đến 68 kg và xuất sắc đạt Huy chương Vàng và tiếp đó đạt Huy chương Bạc cấp toàn quân hạng cân 60-64kg.
Đặc biệt, ở Hội thao Quân sự Đặc công năm 2016, anh được giao nhiệm vụ thi đấu ở hạng cân sở trường(60-64kg). Dù bản thân đã có nhiều kinh nghiệm nhưng Trung úy CN Phan Văn Thọ luôn xây dựng cho mình kế hoạch tập luyện nghiêm khắc, khoa học, bởi anh hiểu rõ các đối thủ tham gia thi đấu lần này đều “nặng kí” và có chuyên môn cao. Vì vậy, sau mỗi lần tập và giao lưu với Đoàn Đặc công 429, anh cùng với đồng đội, ban huấn luyện, trao đổi, rút kinh nghiệm ở những đòn đánh sao cho hiệu quả. Với tinh thần chủ động, nỗ lực không ngừng nghỉ, Trung úy CN Phan Văn Thọ đã lấy thêm về cho mình Huy chương Vàng ở nội dung võ chiến đấu tay không. Chia sẻ về những khó khăn, anh tâm sự : “Trong quá trình luyện tập, bản thân thường xuyên gặp phải những chấn thương ở khớp gối, tay, giãn dây chằng,…rất đau đớn nên ít nhiều ảnh hưởng đến tâm lí, sức khỏe, bên cạnh đó phải nhịn ăn để ép cân, nhiều lúc cơ thể chưa kịp thích nghi khiến thể lực có phần giảm sút, mệt mỏi. Nhưng được sự động viên của các anh em trong Tiểu đoàn và duy trì chế độ tập luyện hợp lí nên nhanh chóng lấy lại cân bằng và thi đấu tích cực hơn”.
Năm 2017, một lần nữa gọi tên người chiến thắng - Trung úy CN Phan Văn Thọ với giải thưởng cao nhất, hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ ở Hội thao TDTT, Quân sự toàn quân. Đại úy Nguyễn Bảo Trí - Chính trị viên phó Tiểu đoàn tự hào: “Để đạt được những thành tích trên, bên cạnh sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của cấp ủy, chỉ huy,...thì bản thân đồng chí Thọ đã tự khổ luyện cho mình một tinh thần “thép”, sự tập trung, quyết tâm cao độ. Ngoài việc tập luyện với huấn luyện viên thì đồng chí còn tự thực hành thêm ngoài giờ để nâng cao kỹ năng, khắc phục những điểm yếu của bản thân, tìm tòi, tư duy những tình huống giả định để khắc chế đối phương nhằm tìm ra lối đánh tấn công, phòng thủ tối ưu nhất”.
Tại Hội thao Kỹ chiến thuật Đặc công vừa qua, Trung úy CN Phan Văn Thọ đã cùng đồng đội thi đấu hết mình ở các nội dung, góp phần đưa Đoàn Quân khu đạt giải Nhất toàn đoàn khối, giữ vững thành tích năm 2016 và xứng đáng là đơn vị đi đầu trong các Hội thao do Bộ Tư lệnh Đặc công tổ chức.