Namun, minatnya justru tertuju pada fisika teoretis. Ia sangat terinspirasi oleh fisikawan terkenal Paul Dirac. Setelah menyelesaikan studi teknik mesinnya dengan hasil terbaik, ia meminta restu keluarga untuk mendalami fisika teoretis di kampus yang sama. Ia pun berhasil meraih gelar doktor fisika nuklir dari Cambridge pada tahun 1934.
Pada 1933, ia menulis makalah pertamanya tentang penyerapan radiasi kosmik, yang membuatnya mendapatkan beasiswa bergengsi Isaac Newton Studentship selama tiga tahun. Ia juga sempat bekerja bersama Niels Bohr di Kopenhagen, serta melanjutkan riset di Cambridge.
Pada 1935, ia menerbitkan makalah penting yang berisi perhitungan pertama tentang penampang hamburan elektron dan positron. Penelitian ini sangat terkenal dan fenomena tersebut kemudian dikenal sebagai “hamburan Bhabha” dalam fisika kuantum.
Bhabha juga bekerja sama dengan Walter Heitler dan pada 1936 mereka membuat terobosan besar dalam memahami radiasi kosmik. Mereka menciptakan teori kaskade elektron, yaitu bagaimana sinar kosmik dari luar angkasa berinteraksi dengan atmosfer atas dan menghasilkan partikel-partikel yang dapat diamati di permukaan bumi.