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.