Особенное внимание уделял Ю.М. Шокальский методической стороне деятельности сети станций, которая до него находилась в довольно запущенном состоянии. По его докладу на Метеорологическом съезде в 1909 г. было принято решение ввести на русской метеорологической сети новую термометрическую будку вместо громоздкой будки Вильда. На этом же съезде была принята предложенная им инструкция по наблюдению над морскими льдами. Ю.М. Шокальский вместе со своим помощником Л.Ф. Рудовицем блестяще наладил обработку и издание научных наблюдений. До сих пор эти толстые тома наблюдений, изданные при Ю.М.Шокальском, а затем при Л.Ф. Рудовице, являются незаменимыми справочниками для всех, кто занимается изучением морских побережий. В 1909 г. Ю.М. Шокальским была организована Севастопольская морская обсерватория, выросшая в крупное научное учреждение.
Ю.М. Шокальский уже тогда относился к Черному морю с особым вниманием. Черное море — исключительный водоем, единственный в своем роде. Его уникальность в значительной мере определяется его географическим положением предпоследнего звена замечательной цепи морей, тянущихся от Атлантического океана и разделенных между собой узкими проливами с высокими подводными порогами: Атлантический океан — Гибралтарский пролив — Средиземное море — Дарданеллы — Мраморное море — Босфор — Черное море — Керченский пролив — Азовское море. Уже в 1890—1891 гг. экспедиция И.Б. Шпиндлера, возникшая по инициативе Русского географического общества, то eсть не без участия Ю.М. Шокальского, обнаружила ряд исключительно интересных особенностей в режиме Черного моря. До этого С.О. Макаров открыл механизм замечательного обмена вод через порог Босфорского пролива (воды Черного моря идут по поверхности, а воды Мраморного моря по дну) и дал ему правильное объяснение*, ставшее теперь классическим. Но именно Ю.М. Шокальскому с его широким географическим кругозором было очевидно, что сделано еще очень мало, что необходимо систематически, всесторонне изучать и прибрежную, и открытую части моря, а главное, разобраться во всем этом сложном комплексе взаимосвязей, взаимодействия и взаимообусловленности. Создать в результате всего этого настоящую монографию о Черном море было, конечно, увлекательной задачей и с океанографической, и особенно с географической точек зрения. Учреждение Севастопольской морской обсерватории было в этом отношении первым шагом. Дальше нужно было получить экспедиционное судно. Государство в крайне трудных условиях начала 20-х годов смогло выделить Ю.М. Шокальскому специальное судно. На этом судне четыре раза в год (весна, лето, осень, зима) выполнялись «гидрологические разрезы» — наблюдения от поверхности до дна по определенным маршрутам, главным образом между Крымом и Анатолийским берегом. Эти «разрезы» должны были дать картину сезонных изменений из года в год по одним и тем же направлениям. Кроме того, с 1924 по 1927 г. в распоряжение Ю.М. Шокальского выделялся на все лето отдельный специально оборудованный корабль с тренированной для гидрологических работ командой.
Черноморская экспедиция Ю.М. Шокальского собрала огромный материал. Оценивая его, нужно прежде всего отметить замечательную продуманность планов и программ работ экспедиции. Она послужила образцом для последующих аналогичных экспедиций не только у нас, но и за границей. Ю.М. Шокальский особое внимание обращал на методическую сторону всех измерений. Все приборы специально приспосабливались к тем условиям, в которых нужно было работать. Обработанные первичные материалы публиковались в издаваемой Главным гидрографическим управлением серии «Наблюдения гидрографических экспедиций». Ю.М. Шокальский многократно докладывал общие итоги экспедиции у нас и за границей; отдельные вопросы были темами статей его самого и его сотрудников. Но сам он так и не успел до конца обработать все полученные материалы и написать монографию о Черном море. Однако и сделанного им было достаточно для того, чтобы значительно расширить наши знания о Черном море.
Второй областью, где работы Ю.М. Шокальского имели мировое значение, была картография и смежные с нею вопросы. Интересы Ю.М. Шокальского не ограничивались только тем, что относилось к морским картам; они простирались на вопросы картографии вообще.
Ю.М. Шокальский прекрасно знал все этапы создания карты — от сбора и обработки материала, составления самой карты и до ее печатания. Бывая за границей, он постоянно знакомился со всеми новинками картографического дела. Его эрудиция в этой области была исключительной. Это позволяло ему удачно решать любые картографические задачи, с которыми он сталкивался.
Им составлено или отредактировано огромное количество карт разного назначения, до учебных включительно. Под его редакцией в 1905 г. вышел Большой географический атлас. Особенное внимание он уделял вопросам гипсометрии. Встретившись в Русском географическом обществе с очень крупным географом-геодезистом генералом А.А. Тилло, Ю.М. Шокальский начал деятельно сотрудничать с ним и принял активнейшее участие в составлении первой гипсометрической карты Европейской России. После смерти А.А. Тилло (1899) он с 1900 г. стал отвечать за составление свода нивелировок Министерства путей сообщения. Это дало в его руки огромнейший материал по высотным отметкам всей территории страны. Гипсометрическая карта Тилло, впервые давшая научные представления о рельефе Европейской части России (за исключением севера, не охваченного ею), тем не менее, требовала многих уточнений, дополнений и в ряде случаев исправлений.
Ю.М. Шокальский, как участник ее составления, прекрасно это знал. Став во главе Гипсометрической комиссии, образованной при Русском географическом обществе, он энергично начал работать над составлением гипсометрических карт отдельных районов и губерний. Под его редакцией была составлена и в 1909 г. издана гипсометрическая карта Самарской луки. В 1914 г. велись работы по составлению гипсометрических карт губерний и областей: Московской, Воронежской, Харьковской, Войска Донского и Херсонской. В 1913 г. была им составлена гипсометрическая карта всей России в масштабе 1 : 12 600 000.
Прекрасно зная карту, Ю.М. Шокальский, как никто другой, умел работать с ней. В 1905 г. он довел до конца начатую Тилло работу по «Исчислению поверхности Азиатской России», составленную из данных о площадях отдельных бассейнов и областей. Эти работы ценны как своими числовыми результатами, так и методикой решения задачи. Они были в 1909 г. удостоены премии Российской академии наук, а в 1911 г. — Парижской академии наук. Ю.М. Шокальским были определены длины рек Азиатской части России; чрезвычайно ценной была методическая сторона проделанной работы: Ю.М. Шокальский умел показать, что можно требовать от взятой карты и чего она дать не в состоянии.
После создания Госпланом СССР Геодезического комитета Ю.М. Шокальский был назначен его председателем.
Большое внимание Ю.М. Шокальский уделял лимнологии (наука о внутренних водах, озероведение). Ему принадлежат обстоятельные исследования термики Ладожского озера, причин колебания уровня Каспия, инструкции по исследованию озер и многие другие работы, посвященные отдельным вопросам. В начале 90-х годов XIX в. им была проведена съемка рек Вычегды, Джуриги и Южной Кельтмы и рекогносцировка Южной Сосьвы и Тавды.
Ю.М. Шокальский был деятельным участником работ Ледниковой комиссии Русского географического общества, и ему принадлежит ряд обзоров наблюдений за ледниками.
Очень много им написано по метеорологии и климатологии. Его первые печатные работы были посвящены метеорологическим и гидрологическим наблюдениям на военных кораблях и организации службы погоды. С 1883 г. он деятельно сотрудничал в Метеорологической комиссии, а затем в основанном ею в 1891 г. «Метеорологическом Вестнике», в редакцию которого он входил с первого года существования этого прекрасного научного журнала. Еще больше внимания Ю.М. Шокальский стал уделять изучению атмосферы в годы своей работы в Гидрометеорологической части Главного гидрографического управления и после своего перехода в Морскую академию, где он читал также и курс метеорологии. За это время им опубликовано несколько десятков статей по вопросам метеорологии и климатологии. И в этой области прежде всего Ю.М. Шокальский проявил себя как географ. Хорошо разбираясь в физической сущности атмосферных процессов, он всегда расширял соответствующий анализ географически.
Очень большое внимание Ю.М. Шокальский уделял полярным проблемам. Никогда не участвуя в полярных экспедициях непосредственно, он внимательно следил за всем происходящим к северу от Северного и к югу от Южного полярных кругов и прекрасно знал всех крупных полярных исследователей, находясь с ними в оживленной дружеской переписке.
Начиная с 1893 г. он был одним из активнейших сторонников освоения Северного морского пути, всячески поддерживая инициативу по исследованию Арктики и Антарктики. Не без его помощи С.О. Макаров добился постройки знаменитого первого крупного ледокола «Ермак». Работам в Арктике и связанным с нею проблемам были посвящены многие выступления Ю.М. Шокальского на международных конгрессах. Высокий авторитет Ю.М. Шокальского как крупнейшего знатока полярных проблем сказался, между прочим, в значительном количестве полярных географических объектов, названных его именем. В Антарктике французский путешественник Шарко в 1911 г. назвал именем Шокальского пролив на юго-востоке Земли Александра I, открытой в 1820 г. русской экспедицией Ф.Ф.Беллинсгаузена. В Арктике названы именем Шокальского: 1) в 1901 г. Варнеком — небольшой остров в проливе Карские ворота к северо-востоку от острова Вайгач; 2) в 1911 г. Г.Я. Седовым — ледник в западной части северного острова Новая Земля; 3) в 1915 г. Б.А.Вилькицким — пролив между двумя островами в архипелаге Северная Земля; 4) в 1915 г. С.Г. Григорьевым — озеро на полуострове Канин; 5) в 1925 г. комитетом Северного морского пути — остров при входе в Обскую губу у восточного берега («как знак признания забот, оказанных Юлием Михайловичем Шокальским началу проведения этого пути, начиная с 1893 г.»); 6) в 1930 г. Н.Н. Зубовым — теплое течение, идущее вокруг архипелага Шпицберген в Баренцевом море.