Die entscheidende Wendung in seinem Leben trat 1847 durch seine Verheiratung mit Emilie Klett, der Tochter Johann Friedrich Kletts, ein. Johann Friedrich Klett war der Begründer einer Maschinenfabrik, die seit 1838 (zunächst mit Hilfe englischer Techniker) Eisenbahnmaterial, besonders Dampfmaschinen und Kessel, herstellte.

Theodor Cramer übernahm nach Kletts Tod 1847 die Maschinenfabrik und Eisengießerei J. F. Klett, die er 1865 in die Offene Handelsgesellschaft Maschinenbau-Gesellschaft Nürnberg Klett & Co. und 1873 schließlich in die Maschinenbau-Actiengesellschaft Nürnberg umwandelte. Mit dem hervorragenden Eisenbahnfachmann und genialen Erfinder Johann Ludwig Werder, den Cramer-Klett 1848 von der Konkurrenz abwarb und zum technischen Leiter machte, baute er das Unternehmen rasch zu einer der führenden Maschinenfabriken Deutschlands aus. Neben der Eisengießerei und der Produktion von Eisenbahnmaterial, Eisenbahnwaggons sowie Gewehren – alles möglichst in Massenfertigung – waren die Hauptarbeitsgebiete der Bau von Dampfmaschinen und Brücken (u. a. Isar-Hochbrücke bei Großhesselohe 1857; Rheinbrücke von Mainz nach Gustavsburg 1860–1862, die sogenannte Mainzer Südbrücke).

Darüber hinaus erwarb sich Cramer-Klett früh große Anerkennung durch Hochbauten in Glas und Eisen wie die Schrannenhalle in München 1851/52, den Wintergarten an der königlichen Residenz in München 1853 und die Würzburger Bahnhofshalle 1856. In Anerkennung der besonderen Leistung bei der nur 100 Tage beanspruchenden Errichtung des Glaspalastes für die Allgemeine Münchener Gewerbeausstellung 1854 (nach dem Vorbild des Londoner Kristallpalastes) wurde er im selben Jahr in den persönlichen Adelsstand erhoben.