Веднага след завършване започва работа като препаратор по физика под ръководството на Ърнест Ръдърфорд в Манчестърския университет.[4] През ноември 1913 г., след като отказва предложената му от Ръдърфорд стипендия, той се завръща в Оксфорд, където има на разположение лаборатория, но без финансова подкрепа.[5]
През 1913 г. Мозли извършва серия експерименти по измерване на рентгеновите спектри на различни химични елементи (най-вече метали), като използва метода на дифракция от кристали. Това е на практика първото прилагане на метода на рентгеновата спектроскопия във физиката, при която дължините на вълните на рентгеновите лъчи се определят чрез закона на Браг. Мозли установява, че съществува систематична математическа зависимост между честотата на спектралните линии на характеристичното рентгеново излъчване и атомния номер на излъчващия химичен елемент. Закономерността е наречена в чест на откривателя си Закон на Мозли. Това фундаментално откритие изиграва огромно значение за установяването на физическия смисъл на периодичната система на Менделеев и атомните номера и за потвърждение на верността на планетарния модел на атома. По думите на американския учен Робърт Миликан откритието на Мозли „винаги ще бъде едно от десетте най-блестящи по замисъл, изящество на изпълнението и информативност в историята на науката“.
През 1913 г. той създава и представя исторически първия радиоизотопен източник на електрическа енергия (атомната батерия Beta Cell), представляваща, посребрена отвътре стъклена сфера, в чийто център на изолиран електрод е разположен радиев източник на йонизираща радиация. Електроните, които се излъчват при бета-разпада, създават потенциална разлика между сребърния слой на сферата и електрода с радиевата сол.
През 1914 г. Мозли публикува статия, в която прави извод, че между елементите алуминий и злато в периодичната таблица трябва да има три (както се оказва по-късно – четири) елемента.
In view of what he (Moseley) might still have accomplished ... his death might well have been the most costly single death of the War to mankind generally.
Виждате ли, първоначално работата на Ръдърфорд (по атомното ядро) не се възприемаше сериозно. Днес не можем да повярваме, но тогава изобщо нямаше тежест, не се споменаваше никъде. Обратът идва от Мозли.
You see actually the Rutherford work [the nuclear atom] was not taken seriously. We cannot understand today, but it was not taken seriously at all. There was no mention of it any place. The great change came from Moseley.