«Дорогому Юлию Борисовичу, который первым толкнул мою мысль в область цепных реакций», – написал он на своей монографии, подаренной коллеге.
В 1926 году Харитон отправляется на 2 года в научную командировку в знаменитую Кавендишскую лабораторию (Англия), где работает уже под руководством Резерфорда и
Чедвика. Занимается методикой регистрации альфа-частиц, а в 1928 году защищает диссертацию на степень доктора философии.
В 1931 году с появлением Института химической физики организовал и возглавил в нём лабораторию взрывчатых веществ, которая вскоре стала общепризнанной школой физики взрыва.
Немного позже он занялся исследованиями цепного деления урана, и в 1939 году была опубликована статья Харитона и Зельдовича «К вопросу о цепном распаде основного изотопа урана», а также подготовлена другая – «О цепном распаде урана под взаимодействием медленных нейтронов». По сути это была единая работа с «закрытой» второй частью, которая увидела свет только спустя 40 лет. Расчёты учёных показали, что создать атомную бомбу возможно и что для этого потребуется уран-235.
В мае 1945 года, когда ещё не был взят Берлин, Харитон в составе группы физиков отправился на освобождённую территорию Германии, чтобы выяснить, какие исследования по ядерному оружию проводили нацисты. Вместе с Исааком Кикоиным он обнаружил около 100 тонн окиси урана.
Конечно, Игорь Курчатов позвал Юлия Харитона в атомный проект. В Лаборатории № 2 АН СССР тот стал научным руководителем сектора № 3, созданного для проектирования атомной бомбы.
Потом в посёлке, который долгое время был известен как Арзамас-16, а затем вновь обрёл историческое название Саров, на базе одного из заводов Наркомата боеприпасов появилось КБ-11, и Харитон стал его главным конструктором. С тех пор вся его жизнь была связана сначала с созданием, а затем развитием и совершенствованием отечественного ядерного оружия.
«Я поражаюсь и преклоняюсь перед тем, что было сделано нашими людьми в 1946-1949 годах. Было нелегко и позже. Но этот период по напряжению, героизму, творческому взлёту и самоотдаче не поддаётся описанию. Только сильный духом народ после таких невероятно тяжёлых испытаний мог сделать совершенно из ряда вон выходящее: полуголодная и только что вышедшая из опустошительной войны страна за считанные годы разработала и внедрила новейшие технологии, наладила производство урана, сверхчистого
графита, плутония, тяжёлой воды» – так по прошествии лет Юлий Борисович оценивал советский атомный проект.
Научным руководителем ВНИИЭФ он был 46 лет, только в 1992-м, в 88, стал почётным научным руководителем. Он всегда был энергичен и выглядел моложе своих лет. Когда ему было 30, врач спросила, в каком он классе. Когда было за 70, на отдыхе отправлялся в длительные пешие прогулки с племянницей, в то время как родственники-ровесники предпочитали посидеть на лавочках.
Но в конце жизни Юлий Борисович почти не видел, двигался плохо, однако до последнего ум его был ясен. Он пережил любимую жену и любимую дочь, но сохранил оптимизм и доброе сердце, готовое помочь всем вокруг. За что его и любил весь Саров.
Академик Харитон похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.