W latach 1911–1914 był asystentem Wicharda von Moellendorffa, z którym opublikował swoją pierwszą pracę poświęconą krystalografii metali, a dokładniej podwalinom późniejszej teorii dyslokacji. Od tamtej pory właśnie metalografia stała się dziedziną, której Czochralski poświęcił resztę życia. Pierwsze publikacje były poświęcone zastosowaniu aluminium w elektronice. Największy rozgłos przyniosła mu odkryta w 1916 r. metoda pomiaru szybkości krystalizacji metali, wykorzystywana obecnie do produkcji monokryształów krzemu. Według popularnej anegdoty metodę tę odkrył przypadkowo, zanurzając pióro w tyglu z gorącą cyną zamiast w kałamarzu.
Rozkwit kariery naukowej W 1917 r. przeniósł się do Frankfurtu nad Menem, gdzie został szefem laboratorium metaloznawczego Metallbank und Metallurgische Gesellschaft AG. Tam opracował i w 1924 r. opatentował bezcynowy stop łożyskowy, który wykorzystano w produkcji panewek do ślizgowych łożysk kolejowych. Stop zwany był w Polsce metalem B, a produkowały go zakłady Ursus. Stop spowodował rewolucję w kolejnictwie, przyczyniając się do zwiększenia prędkości i niezawodności ruchu pociągów, co przynosiło liczne oszczędności eksploatacyjne. Wynalazek ten był szczególnie istotny dla gospodarki Niemiec, którą objęto zakazem importu cyny.