Дмитрий Иваненко работал в Харьковском физико-техническом институте с 1929 по 31 год, будучи первым директором его теоретического отдела. Лев Ландау, Нобелевский лауреат, друг студенческих лет, а затем соперник, стал его преемником в 1932-37 годах. Паскуаль Йордан, Виктор Вайскопф, Феликс Блох (Нобелевский лауреат 1952 года) и Поль Дирак (Нобелевский лауреат 1933 года) посетили Д. Иваненко в Харькове. Иваненко очень часто с заслуженной гордостью упоминал о своей роли в организации 1-й Советской теоретической конференции (1929) в Харькове и о создании первого советского журнала на иностранном языке «Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion» (1932).
В феврале 1931 года его звание профессора было утверждено Президиумом ВАК Украинской ССР. Он стал заведующим кафедрой теоретической физики Харьковского машиностроительного (бывшего технологического) института Харьковского университета.
С 1931 года вновь в Ленинграде он стал старшим научным сотрудником Ленинградского физико-технического института имени Абраама Иоффе, а также руководителем семинара по ядерной физике. В 1932-1935 годах он был редактором теоретического отдела Ленинградского отделения Государственного технико-теоретического издательства. Под его редакцией впервые на русском языке были изданы восемь сборников классических трудов и книг по современной физике, в том числе книги Луи де Бройля, Гейзенберга, Дирака, Шредингера, Бриллюэна, Зоммерфельда, Эддингтона. Д.И. Иваненко был профессором, заведующим кафедрой физики Ленинградского педагогического института имени Покровского.
Вернувшись в Ленинград в Физико-технический институт, Д. Иваненко сосредоточил свое внимание на ядерной физике. В мае 1932 года Иваненко опубликовал короткую заметку о протонно-нейтронной модели атомного ядра в журнале «Nature«, а через два месяца Вернер Гейзенберг (Нобелевский лауреат 1932 года) сослался на его работу. В августе 1932 года Д. Иваненко и Е. Гапон предложили пионерскую модель ядерной оболочки, описывающую расположение энергетических уровней протонов и нейтронов в ядре в терминах энергетических уровней. Позже эта модель была разработана Юджином Паулем Вигнером, Марией Гепперт-Майер и Йоханнес Ханс Даниель Йе́нсен, которые разделили Нобелевскую премию 1963 года за свой вклад.
Успехи Иваненко с целым каскадом других удачных результатов в последующие десятилетия, соответствующие весомые публикации и особенно его неуемная научно-организационная харизма (замешанная на вполне отчетливо и публично артикулируемом чувстве обиды за умышленное замалчивание его трудов), несмотря на раздражение многих, несомненно, подтолкнули вперед прогресс ядерной физики в бывшем СССР. В 1933 году по инициативе Дмитрия Иваненко и Игоря Курчатова была организована 1-я советская ядерная конференция. На этой конференции приняли участие Поль Дирак, Фредерик Жолио-Кюри (Нобелевский лауреат 1935 года), Франсис Перрен, Франко Разетти, Виктор Вайскопф и др.
