Awal 1990-an menjadi titik balik penting ketika ia kembali ke Universitas Surrey. Di sana, ia memulai karier sebagai asisten peneliti, lalu menjadi dosen, hingga akhirnya diangkat sebagai profesor Fisika Teoritis. Salah satu bidang keahliannya adalah mempelajari inti-inti atom eksotik, yakni inti atom dengan sifat-sifat langka dan unik. Namun, Al-Khalili tidak hanya berkutat di ruang kuliah dan laboratorium. Ia justru semakin dikenal luas oleh masyarakat umum karena kemampuannya menjelaskan konsep-konsep ilmiah yang rumit dengan cara yang sederhana, menyenangkan, dan mudah dicerna.
Popularitasnya meroket setelah menulis buku “Blackholes, Wormholes and Time Machines” (Lubang Hitam, Lubang Cacing, dan Mesin Waktu), yang membahas berbagai topik menarik dari fisika modern seperti relativitas, ruang-waktu, dan kemungkinan perjalanan waktu. Buku ini mendapat sambutan hangat karena berhasil mengajak pembaca awam memahami isu-isu ilmiah yang selama ini dianggap berat. Selain menulis buku, ia juga sering tampil dalam berbagai program televisi dan radio, termasuk di BBC, membawakan dokumenter yang mengeksplorasi berbagai aspek sains, sejarah ilmuwan, dan teknologi masa depan. Ia dikenal luas sebagai penyiar yang karismatik dan komunikator sains yang luar biasa.