Sous la direction du thermodynamicien Gilbert Newton Lewis, il étudie l'entropie des gaz diatomiques, qu'il calcule à partir des spectres moléculaires.
Ayant soutenu sa thèse en 1923, Urey se tourne alors vers l'étude de la structure atomique et s'en va passer l'année 1923-1924 à l'Institut de physique théorique de Copenhague, où Niels Bohr l'encourage à poursuivre dans cette voie.
La découverte de l'isotope ²H fait l'objet d'une lettre à la rédaction de la Physical Review, qui paraît au début 1932. Urey avait proposé d'appeler cet isotope le deutérium et de le représenter par la lettre D. Cette découverte lui vaut la médaille Franklin en 1943.
En 1931, il démontre avec ses collègues l'existence de l'eau lourde (oxyde de deutérium, D2O). Il est lauréat du prix Nobel de chimie de 1934 « pour sa découverte de l'hydrogène lourd ».
Il reçoit la Médaille Davy en 1940.
Il est également directeur de recherche dans le projet du développement de la bombe atomique à l'université Columbia et effectue d'importants travaux de recherche en géophysique, sur l'origine du système solaire et en paléontologie. Au cours de la guerre froide, il s'engage contre les armes nucléaires et la course aux armements en devenant vice-président du Comité d'urgence des scientifiques atomistes fondé par Albert Einstein et Leó Szilárd.