W 1871 Julia rozpoczęła badania w laboratorium Augusta Wilhelma von Hofmanna w Berlinie. Została jego studentką. Współpraca umożliwiła Julii publikację pracy o strukturze i syntezie 4,4′-diaminoazobenzenu. Ponieważ ani Uniwersytet w Berlinie, ani w Heidelbergu nie chciał przyznać tytułu doktorskiego kobiecie, na egzamin wyjechała na Uniwersytet w Getyndze. W dniu 24 października 1874 zaprezentowała tam tezy swojej rozprawy doktorskiej. Pracowała nad analizą związków metylowych. Zdała egzamin doktorski cum laude. Jednym z jej egzaminatorów był Friedrich Wöhler. Praca została wydana drukiem.
Po obronie dysertacji Julia wróciła do Rosji. Osobiście poznała Dmitrija Mendelejewa i innych uczonych z Rosyjskiego Towarzystwa Chemicznego, m.in. Aleksandra Butlerowa. Ten zaprosił ją do swojej grupy badawczej. Julia została asystentką Butlerowa. Prowadziła badania nad syntezą kwasu 2-metylo-2-butenowego.
W 1876 zaczęła współpracę z naukowym czasopismem „Bulletin de la Société Chimique de Paris”. Od 1877 w laboratorium Władimira Markownikowa w Moskwie badała ropę naftową. Opracowała zestaw laboratoryjny do ciągłej destylacji ropy naftowej. Badała węglowodory alifatyczne, czego efektem była m.in. synteza 1,3-dibromopropanu.