En 1927 fue contratado por la Universidad de Cambridge donde permaneció hasta 1937 cuando fue nombrado catedrático de Física del Birbeck College de la Universidad de Londres, donde estuvo hasta 1963, año en el que le nombraron director del departamento de Cristalografía de la Universidad de Londres donde estuvo hasta su retirada en 1968.

Bernal fue un gran y generoso maestro de sus discípulos. Algunos de los más destacados discípulos fueros galardonados con el Premio Nobel: Dorothy Crowfoot-Hodgkin (1910-1994, Premio Nobel de Química en 1964), Max Perutz (1914-2002, Premio Nobel de Química en 1962) y Aaron Klug (1926, Premio Nobel de Química en 1982). Además de ser discípulos de Bernal y recibir tan alto galardón, los tres científicos hicieron contribuciones muy importantes en biología estructural, determinando la estructura de moléculas con importantes papeles biológicos. Los tres comenzaron su investigación en esta área bajo la supervisión de Bernal.

Una característica de Bernal como investigador es que fue pionero en numerosos temas importantes, como los ya mencionados de las estructuras del grafito, de las aleaciones y de las moléculas de interés biológico. Pero una vez que comenzaba el tema, era muy generoso, dejando que sus discípulos continuasen con los temas.

La molécula de interés biológico más importante es, sin duda, el agua. En 1933, Bernal estudió la estructura del agua, proponiendo la distribución tetraédrica de carga, que es el modelo aceptado para esta molécula. Esta investigación, también pionera, dio lugar a un prolongado estudio de la estructura de los líquidos, llegando a elaborar una teoría general en 1958.

Otras investigaciones cristalográficas pioneras de Bernal fueron el estudio estructural de los enlaces de hidrógeno, en los que hay que destacar en relación con la estructura de los hidróxidos metálicos (1935).

También hay que destacar sus investigaciones en cemento, que comenzó en 1945, tras su servicio científico en el ejército británico durante la II Guerra Mundial. Bernal propuso que el estudio estructural de los polimorfos del silicato de calcio podría ser de utilidad para poder fabricar cemento de más calidad. No se equivocó. Aunque, una vez más, Bernal sólo hizo los estudios preliminares, su aportación permitió el trabajo de muchos investigadores en cemento en las décadas siguientes.

Bernal era una persona de múltiples inquietudes. Relacionadas con la ciencia, también investigó en el origen de la vida y en geoquímica. Además, fue un gran historiador y filósofo de la ciencia, estando especialmente interesado en las implicaciones sociales de la Ciencia.