Ia ditahbiskan menjadi Imam Yesuit pada tahun 1895. Pada awal karyanya, ia bertugas di Sulawesi Utara, yang ia jalani selana 23 tahun. Ia tiba di sana pada tahun 1900 di daerah Woloan.[1] Salah satu hal yang dilakukannya adalah mempelajari bahasa Tombulu untuk mempermudah dalam berkomunikasi dalam pelayanan. Ia berusaha menerjemahkan katekismus, doa-doa, dan juga lagu-lagu Katolik ke dalam bahasa Tombulu, agar umat setempat mudah untuk mengerti. Hal ini dilakukan sebagai upaya penyatuan umat. Tantangan lainnya saat itu adalah adanya kepercayaan alifuru yang telah dianut dan dipercayai oleh masyarakat setempat. Sejak masuknya Gereja Katolik, hal itu mulai tergeser.[2] Pada tanggal 15 Januari 1912, ia diangkat sebagai Kepala Misi di Minahasa dan berkedudukan di Woloan.[3]
Sejak 1907 ia menjadi pastor stasi misi tetap Bogor, menggantikan Pastor M.Y.D. Claessens, seorang imam diosesan asal Belanda yang sebelumnya menjabat selama 30 tahun. Ia turut berkarya di panti asuhan di Bogor sejak 1912. Pada 21 Januari 1924, ia ditunjuk sebagai Vikaris Apostolik Batavia dengan gelar Uskup Tituler Aezani, meneruskan kepemimpinan Mgr. Edmundus Luypen yang meninggal dunia pada 1 Mei 1923. Sebagai seorang uskup terpilih, ia memberkati Gereja Santo Yoseph, Matraman pada 6 April 1924.
Bersamaan dengan momentum penahbisan Mgr. van Velsen, para waligereja waktu itu berkumpul dan melaksanakan sidang pertama pada tanggal 15–16 Mei 1924, di pastoran Katedral Jakarta. Sidang pertama ini diketuai olehnya. Hal ini menjadi cikal pendirian Konferensi Waligereja Indonesia.[4][5]
Pada masa kepemimpinan van Velsen, Perkumpulan Strada didirikan pada 24 Mei 1924. Ia kemudian juga memberkati altarGereja Hati Kudus Tuhan Yesus, Ganjuran, Bantul, Yogyakarta pada 20 Agustus 1924. Pembangunan gereja ini telah selesai sejak 16 April 1924. Pada 26 September1926, ia juga memberkati Gereja Santo Antonius, Kotabaru pada 26 September 1926. Pada 27 April 1927, Kongregasi Suster-Suster Gembala Baik mulai membuka rumah pertama di Molenvliet (kini Jalan Hayam Wuruk). Hal ini sebagai tanggapan atas undangan Mgr. van Velsen.[6]
Mgr. van Velsen juga memberkati pembukaan Rumah Sakit Santa Elisabeth di Semarang pada 18 Oktober 1927 yang bertepatan dengan peringatan Santo Lukas, pelindung para dokter. Ia didampingi oleh Pater P. Hoeberechts, S.J. dan juga Residen Semarang Van Gulk.[7] Sebelumnya, ia telah meletakkan batu pendirian pertama pada 9 Maret 1926. Pada 19 Desember 1927, ia memberkati Seminari Kecil Santo Petrus Kanisius Yogyakarta, yang terletak di sebelah barat Kolese Santo Ignatius (Kolsani), Yogyakarta. Seminari ini lulusan Hollandsch-Inlandsche School (HIS) dan Europeesche Lagere School (ELS), sebelum akhirnya dipindahkan ke Mertoyudan, Magelang, Jawa Tengah, tahun 1941. Saat ini gedung tersebut menjadi kampus pendidikan guru agama Katolik Universitas Sanata Dharma (IPPAK). Pada 26 Desember 1947, ia meletakkan batu pertama pendirian Candi Hati Kudus Tuhan Yesus Ganjuran. Candi ini kemudian diberkati pada 11 Februari 1930, bertepatan dengan penampakan Bunda Maria di Lourdes, Prancis oleh Mgr. van Velsen. Pada 25 Agustus 1929, gedung Rumah Sakit Panti Rapih diberkati oleh Mgr. van Velsen.
Imam-imam dari Misionaris Keluarga Kudus (MSF) kemudian mulai membantu secara resmi ordo Yesuit pada 12 April 1930. Sebelumnya, Pater A. Kouwenhoven, M.S.F. telah bertemu dengan Mgr. van Velsen sejak 1929. Sebelumnya ordo MSF telah memulai karya misi di Kalimantan Timur, namun sempat membawa kekecewaan. Dewan Jenderal MSF kemudian mensurati Mgr. van Velsen yang setuju membantu ordo Yesuit di Jawa.[8]
Setelah menjabat selama 9 tahun, ia mengundurkan diri sebagai Vikaris Apostolik pada Maret 1933 karena kesehatannya yang sangat menurun sehingga dianggap terlalu berat, sementara penglihatannya sudah sangat buruk. Setelah mundur, Pastor A Th. Van Hoof memimpin untuk sementara waktu dengan jabatan sebagai Pro-Vikaris. Mgr. Petrus Johannes Willekens, S.J. kemudian memimpin sejak ditunjuk pada 23 Juli 1934. Ia meninggal dunia pada 6 Mei 1936 dalam usia 71 tahun. Ia dimakamkan di Pemakaman Belanda Peneleh, Surabaya.[10]
