В 1925-1926 годах занимался исследованием окисления паров фосфора кислородом и открыл (совместно с З.Ф.Вальта) явление нижнего предела по давлению кислорода и влияния на этот предел примесей инертного газа. В 1926 году при поддержке А.Ф.Иоффе, П.Л.Капицы и Н.Н.Семёнова Харитон был командирован в Англию, в лабораторию Э.Резерфорда, где занимался изучением чувствительности глаза к слабым световым импульсам (сцинтилляциям) и взаимодействия гамма-излучения с веществом, а также разработкой методики регистрации альфа-частиц. Не участвуя непосредственно в работах по ядерной физике, основных для Кавендишской лаборатории, Харитон вошел в курс всех проводившихся там исследований и проявлял к ним неизменный интерес, пока (после открытия деления урана в 1939 году) ядерная физика не стала главным делом его жизни.
Во время пребывания в Англии Ю.Б. Харитон защитил диссертацию и в 1928 г. получил степень доктора философии. Вернувшись на родину, Харитон возобновляет исследования в руководимом Н. Семеновым физико-химическом секторе Физико-технического института и вскоре приступает к систематической работе над вопросами теории взрывчатых веществ. Он организует лабораторию взрывчатых веществ, где и проводит свои исследования. До Харитона ученые изучали эту группу веществ либо с точки зрения химического состава и технологии их производства, либо исходя из их разрушительного действия. Он мог продолжить работы по изучению конденсации паров, начатые еще до «английской» стажировки, мог заняться вопросами кинетики химических реакций, но выбрал очень сложную тему: изучение взрывчатых веществ, которые нужны были и военным, и разработчикам новых месторождений, и строителям мощных гидроэлектростанций. Особую сложность эксперименту придавало то, что нужно было регистрировать быстропротекающие процессы. Харитон установил закон возможности детонации: время химической реакции в детонационной волне должно быть меньше времени разлета сжатого вещества. А для времени разлета легко можно дать простую оценку, поделив диаметр заряда на скорость детонации. Из этого фундаментального закона вытекало важное следствие: одно и то же вещество, взятое в виде тонкого цилиндра, окажется пассивным, но в большой массе может взорваться.
Юлий Борисович первым сформулировал основной принцип, применимый и к взрыву: химическую реакцию нужно рассматривать как процесс, протекающий во времени, а не как мгновенный скачок из начального в конечное состояние. Все исследователи до него рассматривали взрыв именно как скачок, абстрагируясь от кинетики химической реакции. В 1943 г. была создана Лаборатория N 2 АН СССР во главе с И. В. Курчатовым. Он предложил Ю. Б. Харитону возглавить работы по созданию ядерного оружия.
В 1946 году на юге Горьковской области (ныне – Нижегородская область) был основан центр по разработке ядерных зарядов – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ; ныне – Российский федеральный ядерный центр Всероссийский НИИ экспериментальной физики) в городе Арзамас-16 (в 1991-1995 – Кремлев, с 1995 – Саров). Его главным конструктором, а затем научным руководителем по рекомендации И.В.Курчатова стал Харитон (1946-1992).
4 декабря 1946 года Харитон был избран членом-корреспондентом АН СССР (с 1991 – РАН). Указом Президиума Верховного Совета СССР («закрытым») от 29 октября 1949 года «за исключительные заслуги перед государством при выполнении специального задания» Харитону Юлию Борисовичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот». Указом Президиума Верховного Совета СССР («закрытым») от 8 декабря 1951 года «за исключительные заслуги перед государством при выполнении специального задания» Харитон Юлий Борисович награжден второй золотой медалью «Серп и Молот». 23 октября 1953 года Харитон был избран действительным членом (академиком) АН СССР. Указом Президиума Верховного Совета СССР («закрытым») от 4 января 1954 года «за исключительные заслуги перед государством при выполнении специального задания» Харитон Юлий Борисович награжден третьей золотой медалью «Серп и Молот».
Скончался 18 декабря 1996 года в городе Саров Нижегородской области. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве (участок 9). Награжден пятью орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, другими орденами, медалями, в том числе Большой золотой медалью имени М.В.Ломоносова АН СССР (1982) и Золотой медалью И.В.Курчатова (1974). Лауреат Ленинской премии (1957), Сталинской премии СССР (1949, 1951, 1953). Бюст Ю.Б.Харитона установлен в Санкт-Петербурге на Аллее Героев Московского парка Победы.
Соч.: Электронная химия, М. — Л., 1927 (совместно с В. Н. Кондратьевым и Н. Н. Семеновым); Механизм конденсации и образование коллоидов, Л. — М., 1934 (совместно с А. И. Шальниковым); Электронные явления, Л., 1935 (совместно с др.); Деление и цепной распад урана, «Успехи физических наук», 1940, т. 23, в. 4 (совместно с Я. Б. Зельдовичем); К вопросу о разделении газов центрифугированием, «Журнал технической физики», 1937, т. 7, № 14, с. 1476.