Свою первую научную работу «О предсказаниях вероятной погоды и штормов» Шокальский напечатал в 1882 году в «Морском сборнике». Тогда же он был избран действительным членом Русского географического общества. С 1883 года Юлий Михайлович преподавал в Морском корпусе, одновременно занимая должности библиотекаря Морского министерства (1887—1907) и заведующего метеорологической частью Главного гидрографического управления (1907—1912).
Начиная с 1893 года Шокальский был одним из рьяных сторонников освоения Северного морского пути. При его активной помощи адмирал С. О. Макаров добился постройки ледокола «Ермак». Прекрасное владение английским и французским языками позволяло ему следить за состоянием зарубежной науки и общаться с иностранными учёными. С 1895 года он принимал участие во всех международных географических конгрессах, выступая на каждом с докладами. После смерти П. П. Семёнова–Тян–Шанского Юлий Михайлович был избран президентом Русского географического общества. Его труд «Исчисление площадей бассейнов административных подразделений Азиатской России» (1903) с картой бассейнов был удостоен первых премий Российской и Парижской академий наук. В 1905 году под редакцией Шокальского вышел Большой географический атлас. Законченная тогда же работа «Исчисление поверхности Азиатской России» в 1909 году также была удостоена премии Российской академии наук, а в 1911 году – Парижской академии наук. В 1917 году он выпустил своё выдающееся исследование «Океанография». Всего же к началу 1920–х годов Шокальским было написано более 400 научных работ, в основном по проблемам гидрологии и океанографии. На протяжении почти четырёх лет (1924—1927) организованная им черноморская экспедиция на специально оборудованном корабле занималась гидрологическим обследованием Чёрного моря.
Ю. М. Шокальский к концу жизни являлся почётным членом Академии наук СССР, заслуженным деятелем науки, доктором географических наук, доктором ряда зарубежных университетов, почётным председателем Русского географического общества, почётным членом многих академий мира, почти всех географических обществ и учреждений земного шара. Его именем назван пролив на юго–востоке Земли Александра I в Антарктике, открытой экспедицией Ф. Ф. Беллинсгаузена, а в Арктике – небольшой остров в проливе Карские Ворота, ледник в западной части северного острова Новая Земля, пролив между двумя островами в архипелаге Северная Земля, озеро на полуострове Канин, остров при входе в Обскую губу и тёплое течение, идущее вокруг архипелага Шпицберген в Баренцевом море.