Два года Юлий Михайлович плавал на судах «Крейсер» и «Петр Великий» в Балтийском море, а затем поступил на гидрографическое отделение Военно-морской академии.
По окончании академии Юлий Михайлович был командирован Главным гидрографическим управлением Адмиралтейства в Главную геофизическую обсерваторию. По существу, именно здесь и началась его научно-исследовательская работа. В 1882 году Морской сборник опубликовал первую научную статью Шокальского «О предсказании вероятной погоды и штормов». Гидрометеорологические исследования Ю.М. Шокальского имели большое значение при решении задач по обеспечению мореплавания.
Юлий Михайлович решил заняться педагогической работой, поскольку он стремился к углублению своих знаний и хотел передать их молодежи. С апреля 1883 года он начал преподавать в Морском училище. Он любил свою работу и одинаково ответственно относился и к лекциям, и к консультациям, беседам и докладам. Вплоть до последней своей лекции, прочитанной им 5 марта 1940 года дома для будущих океанографов географического факультета Ленинградского университета, Юлий Михайлович тщательно подбирал и готовил новый материал. Шокальский отличался тем, что любые понятия мог изложить просто и доступно. Огромная трудоспособность позволила ему вести семь курсов в разных учебных заведениях; это были математика, навигация, метеорология, гидрография, физическая география, океанография, картометрия.
С 1890 по 1907 год одновременно с педагогической деятельностью Ю.М. Шокальский работал в Главной морской библиотеке. За это время туда поступили тысячи экземпляров книг, журналов, атласов и карт. Основной фонд библиотеки состоял из собрания более 11 000 редчайших трудов XVI — XVIII веков в области естествознания, постоянно пополнявшееся современной литературой. Научная организация и расширение библиотеки осуществлялись библиотечным советом, созданным по инициативе Шокальского.
В 1907 году Юлий Михайлович Шокальский перешел на должность заведующего метеорологическим отделом Главного гидрографического управления, продолжая, однако, преподавать в Мореходном училище и работать в Морской библиотеке. В этом же году он начал читать курс физической географии в Женском педагогическом институте. На новой должности он энергично взялся за организацию гидрометеорологической службы на морях и судах и за осуществление ряда важных мероприятий по исследованию режима морей и безопасности мореплавания. Юлий Михайлович тем не менее особенно обращал внимание на то, чтобы новые сотрудники обладали необходимым опытом и знаниями и бескорыстно относились к делу.
Помощниками Шокальского были Л.Ф. Рудовиц (профессор, который затем заменил Юлия Михайловича в гидрометеорологическом отделе Гидрографического управления), И.К. Надеин и М.И. Сперанский, много сил потратившие на оснащение приборами морских гидрометеорологических станций, их инспектирование и улучшение методики наблюдений.
Чтобы повысить качество наблюдений, используемых для составления карт, справочников и научных работ по описанию режима морей, нужны были новые программы и инструкции. Гидрометеорологический отдел составил весьма ценное пособие «Руководство для ведения гидрологических и метеорологических наблюдений на береговых станциях и плавучих малках морского ведомства», которым пользовались и другие ведомства. Под руководством Шокальского был организован выпуск важнейших ежегодных пособий «Ежегодники приливов».
В 1909 году Юлий Михайлович также предложил организовать в городе Севастополе морскую обсерваторию. Последняя стала крупным научно-исследовательским центром, в котором на базе ряда специальных наблюдений были начаты выпуски сводных материалов по режиму Черного моря.
Севастопольская морская обсерватория сыграла также большую роль в исследовании структуры воды Черного моря, ее физического и динамического состояния.
В том же году на Черном море начали впервые проводиться рейдовые гидрологические наблюдения. Комплексная черноморская экспедиция, организованная Ю.М. Шокальским, собрала обширные материалы для всестороннего понимания гидрометеорологических процессов, протекающих на Черном море, и для их прогнозирования.
Еще в начале XX века Юлий Михайлович обращал внимание географов на необходимость изучения Севера страны. Еще работая в Гидрографическом управлении, он принял деятельное участие в подготовке экспедиций на ледокольных судах «Вайгач» и «Таймыр». Это были первые русские корабли, прошедшие в 1914–1915 годах северным морским путем.