Hartnell repitió el papel en la historia del décimo aniversario, The Three Doctors en 1973, aunque de forma muy reducida por su mala salud.

Cuando el Doctor es herido mortalmente, puede regenerar su cuerpo; al hacerlo, cambia su apariencia física y su personalidad.

La serie comenzaba con los profesores Ian Chesterton y Barbara Wright investigando el misterio de Susan, una estudiante que parecía poseer conocimientos científicos e históricos mucho más allá de su edad.

Cuando Susan se enamoró del líder de la resistencia humana David Campbell en el siglo XXII, el Doctor la dejó atrás para que pudiera vivir su propia vida (The Dalek Invasion of Earth), aunque le prometió que algún día volvería (aún no lo ha hecho).

Al terminar una persecución a través del tiempo, Ian y Barbara usaron una máquina del tiempo Dalek para volver a casa (The Chase), y su lugar en la TARDIS fue ocupado por un piloto espacial llamado Steven Taylor.

Al Doctor se unirían entonces Polly y Ben Jackson, que serían testigos de su primera regeneración.

El paso de los años había castigado duramente la constitución anciana del Doctor.

Tras derrotar por primera vez a los Cybermen en una estación de nieve antártica (The Tenth Planet) el Doctor se derrumbó en el interior de la TARDIS, y ante los sorprendidos ojos de sus compañeros Ben y Polly, sus células se regeneraron por primera vez, dándole una nueva forma física y personalidad: el Segundo Doctor.

[1]​) Obviamente, tenía un conocimiento tremendo de materias científicas, y aun así no podía pilotar como es debido la TARDIS; su nieta explicaba esto diciendo que su abuelo era "un poco olvidadizo".

Inicialmente, desconfiaba de sus dos compañeros humanos, Ian y Barbara, que habían ido con él contra su voluntad.

Fue también en esta época cuando el Doctor conoció a los que serían sus adversarios más persistentes, los Daleks y los Cybermen.

[4]​ Esta característica del personaje también le permitió a los productores conservar las tomas en las que Hartnell se trababa con sus frases.

Por su mala salud, sin embargo, Hartnell no pudo participar en el rodaje regular, así que sus escenas se rodaron por separado en los Estudios de Ealing (no en su jardín o su garaje en casa, como sugirió desde hace tiempo la leyenda de los fanes).

[6]​ En el episodio Listen, una versión joven del Doctor es interpretada por un actor niño sin acreditar.

[7]​ En el docudrama An Adventure in Space and Time, Hartnell es interpretado por David Bradley.

En Time Crash, el Décimo Doctor le dice al Quinto, "Cuando empezaba, al principio del todo, siempre estaba intentando ser viejo, gruñón e importante, lo que sueles hacer cuando eres joven".