Pada 1937, ia menerima penghargaan Senior Studentship dari pameran ilmiah 1851. Ketika Perang Dunia II pecah pada 1939, ia kembali ke India dan menjadi dosen fisika di Indian Institute of Science di Bangalore, serta mendirikan Lembaga Penelitian Sinar Kosmik.
Pada 1941, ia terpilih menjadi anggota Royal Society di Inggris. Ia juga mendirikan Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai pada 1945, dan menjadi direktur pertamanya. Kedekatannya dengan Perdana Menteri India saat itu, Jawaharlal Nehru, sangat membantu dalam memperjuangkan alokasi sumber daya sains India.
Pada 1948, ia ditunjuk menjadi ketua Komisi Energi Atom India yang pertama. Di bawah kepemimpinannya, para ilmuwan India berhasil mengoperasikan reaktor nuklir pertama di Mumbai pada tahun 1956. Ia juga memimpin konferensi pertama Perserikatan Bangsa-Bangsa untuk penggunaan damai energi atom di Jenewa pada 1955.
Ia memiliki pandangan yang kuat tentang pentingnya energi nuklir untuk kemanusiaan. Bhabha menolak keras penggunaan bom atom oleh India, meski negaranya mampu membuatnya. Ia menyarankan agar energi nuklir digunakan untuk mengurangi kemiskinan dan penderitaan rakyat, bukan untuk senjata.