По окончании университета Дмитрий Иванович был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию. Научные интересы Дмитрия Багалея определялись его общественными взглядами, интересом к родному краю. Первой его серьезной работой стала монография «История Северской земли до половины XIV в.». Работа была оценена по достоинству, и вскоре после ее издания в 1883 году Багалей приглашается на кафедру русской истории в Харьковский университет. Материал, который читал в Харькове доцент Багалей (очень скоро он стал профессором, а с 1908 года был почетным профессором), он опубликовал уже в 1883–1884 годах под названием «Курс древнерусской истории до половины XIV в.». Вся его дальнейшая научная деятельность была связана с южными, степными окраинами России, историей Украины, Белоруссии и Великого княжества Литовского, Слобожанщиной, Харьковом. В 1887 году в Москве он защищает докторскую диссертацию, за монографию «Очерки по истории колонизации и быта степной окраины Московского государства» харьковский историк получает почетный отзыв Академии наук, впоследствии он дважды становился обладателем престижной премии Уварова. Среди его лучших работ «Магдебургское право в левобережной Малороссии», «Колонизация Новороссийского края», «Новый историк Малороссии», «К истории учений о быте древних славян», «Украинская старина». Дмитрий Иванович стал активно заниматься тем, чем сейчас занимается добрая половина всех харьковских историков, — краеведением, исследованием местных архивных материалов, историографией (историей изучения тех или иных вопросов в исторической науке).
Так, например, в архивном деле заслуги Багалея трудно переоценить. Он обнаружил в рукописном отделении Румянцевского музея в Петербурге и исследовал новые документы, касающиеся жизни и творчества Сковороды и посвятил ему свои работы. В Полтаве ученый открыл часть архива Малороссийской коллегии и Румянцевской описи Малороссии. В селе Бабаи Багалей открыл фамильный архив Донец-Захаржевских, Щербининых и Кропоткиных. С 1883 года Дмитрий Иванович заведовал Харьковским историческим архивом, он организовал в нем три новых отдела — полтавский, харьковский и бумаг местных деятелей; положил начало его справочной библиотеке.
Немало внимания Багалей, как ученый, привыкший работать с точными данными, проверенными источниками, уделял и археологии. Он вел раскопки курганов в Салтове, Янковке и Алексеевке, был одним из главных организаторов археологических съездов, самым серьезным образом повлиявшим на развитие этой науки в нашей стране. Дмитрий Иванович составил археологическую карту Харьковской губернии.
В отношении книг Багалея о Харькове и Слобожанщине можно говорить очень долго. Многие гипотезы о происхождении названий, истории возникновения и развития Харькова и других городов принадлежат именно Дмитрию Ивановичу, и многие так и не смогли оспорить последующие исследователи. Багалей ввел в научный оборот огромное количество документов, кропотливо изучал статистику, переписку, ведомственные документы и воспоминания. Его книги наполнены самыми мелкими подробностями. Главным его трудом по истории Харькова стала приуроченная к юбилею [8] «История города Харькова за 250 лет его существования». На эту работу в 1896 году харьковские власти выделили ученому тысячу двести рублей в год. (Простой рабочий, пишут историки, в это время получал не больше пятнадцати рублей в месяц.) За работу Дмитрий Иванович взялся вместе со своим любимым учеником Дмитрием Миллером. Первый том появился в 1905 году, второй — в 1911. Этот объемный труд до сих пор является гордостью харьковских историков, ведь на то время проект для нестоличного города был беспрецедентным. Собственно, эти два тома и сейчас не потеряли актуальности, появляются все новые их переиздания. Ценность труда, в частности, как раз в том, насколько аккуратен, беспристрастен Багалей. В ходе своей научной карьеры он пришел к выводу (хотя и спорному), что историк не должен разрабатывать теорий, должен воздерживаться от личных оценок, его задача — поиск, исследование, издание, сохранение источников, накопление материала. Так или иначе, сейчас книги Багалея сами по себе являются историческими источниками.
Дмитрий Иванович был первым крупным исследователем истории Харьковского университета (сейчас это тоже важная часть работы историков сего вуза). «Опыт истории Харьковского университета» вышел в двух томах в 1898 и 1904 годах. Вместе с другими видными харьковскими учеными Бузескулом и Сумцовым Багалей издал и «Краткую историю Харьковского университета». Дмитрий Иванович был главным редактором университетских юбилейных изданий (например «Биографического словаря»).