במכון המלכותי פגש ברנל את ויליאם אסטבורי ואת קתלין ירדלי (Kathleen Yardley), לעתיד קתלין לונסדייל (Lonsdale), לימים שניים מטובי הקריסטלוגרפים. הקשר עם השניים עתיד היה להמשיך שנים רבות אחר כך, בייחוד עם אסטבורי, שעבר ללידס והמשיך את מחקריו באוניברסיטת לידס על מבנה הסיבים של הצמר ועל מבנה החלבון הבונה אותו, הקרטין. ברנל זקף לזכותו של אסטבורי את המצאת המונח "ביולוגיה מולקולרית".
מסיום עבודתו במכון המלכותי ועד מלחמת העולם השנייה (1939-1927).
פעילותו המדעית.
אוניברסיטת קיימברידג' (1927–1937).
ב-1927 חזר ברנל לאוניברסיטת קיימברידג'. באותה שנה החליטה האוניברסיטה להפריד את נושא הקריסטלוגרפיה מהמינרלוגיה ולפתוח משרת הוראה חדשה בקריסטלוגרפיה מבנית. ברנל היה המועמד הטבעי לקבל משרה זו. את הציוד הנדרש לביצוע המחקרים התקין ברנל בחדרים שהוקצו לו במעבדת קוונדיש של המחלקה לפיזיקה, שנוהלה אז על ידי ארנסט רתרפורד. שני האישים לא הסתדרו ביניהם. ראשית, רתרפורד הביע זלזול מופגן בקריסטלוגרפיה. מוקד העניין של רתרפורד היה במבנה האטום ולדעתו הניסיון למקם את האטומים במולקולות הוא ענף של גאוגרפיה ולא של פיזיקה. שנית, רתרפורד היה חסיד של ניסויים במעבדה ושנא תאוריות שהופרחו באוויר, וברנל שפע תאוריות. שלישית, רתרפורד היה שמרן בדעותיו הפוליטיות והחברתיות וברנל היה קומוניסט אדוק. השילוב בין דמיונו הפורה, דעותיו הפוליטיות והמתירנות המינית שלו הפכו את ברנל לאחד מהאנשים המעטים שרתרפורד תיעב.
בשנותיו הראשונות של ברנל בקיימברידג' הוא חשש למעמדו ולמעמדה של הקריסטלוגרפיה, בשל ניסיונות שנעשו לארגן את לימודי התחום על בסיס הקריסטלוגרפיה של המאה ה-19. במרץ 1931 שכנע את ויליאם לורנס בראג, חתן פרס נובל לפיזיקה בשנת 1915 עבור גילוי חוק בראג שעל בסיסו קמה הקריסטלוגרפיה המודרנית, ובנו של ויליאם הנרי בראג, לכתוב לרתרפורד מכתב אישי שבו הוא מדגיש תחילה את חשיבותה של הקריסטלוגרפיה ואחר כך את דעתו על ברנל:
בסופו של דבר קיבל רתרפורד ב-1934 את האחריות המנהלית על קבוצת הקריסטלוגרפיה כחלק ממעבדת קוונדיש וברנל מונה לעוזר מנהל מחקר (Assistant Director of Research) תחתיו, בלא לקבל קביעות (tenure) באוניברסיטה.
בקיץ 1928 סייר ברנל, על פי הצעתו של ויליאם הנרי בראג, במרכזי המחקר של הקריסטלוגרפיה באירופה, כשהוא מתמקד בעיקר בגרמניה. את הממצאים, שכללו ניצנים ראשונים של מחקר החלבונים באמצעות קריסטלוגרפיה, סיכם בדו"ח ששלח לוויליאם הנרי בראג, והשניים הסכימו כי יש צורך לערוך כנס על קריסטלוגרפיה. לקראת הכנס הכין ברנל מאמר על "המצב המתכתי" מנקודת ראותו של קריסטלוגרף. עד אז הייתה ההגדרה המקובלת של מתכת - "חומר בעל יכולת הולכת חשמל". ברנל, לעומת זאת, הראה כי מבנה המתכות בצורתן הטהורה הוא של אטומים הארוזים בצפיפות וכי גודלם הקבוע של האטומים יוצר מבנה של מישורים מקבילים, תופעה המתבטאת ביכולת הריקוע של מתכות. לינוס פאולינג זקף אחר כך לזכות מאמר זה את העניין בנושא, שהביא אותו אחר כך לחקור את המבנה האלקטרוני של מתכות כדוגמת ברזל, נחושת וניקל.
הכנס על הקריסטלוגרפיה, שאותו עזר ברנל לארגן, התקיים ב-15 במרץ 1929 במכון המלכותי, והוביל להקמת שלוש ועדות שנועדו לבחון היבטים שונים של קריסטלוגרפיה, וברנל התמנה למזכיר של כולן. בין השאר פעל לשכנע את כל העוסקים בתחום לנסות ולקבוע מינוח אחיד לטבלאות של חבורות סימטריות מרחביות. לשם כך נפגש עם פאול פטר אוואלד בשטוטגרט בספטמבר 1929, והשניים החליטו על ארגון כנס בנושא שהתקיים בקיץ 1930 בציריך בחסותו של פאול ניגלי (Paul Niggli), ששימש אז כעורך של הביטאון החשוב ביותר בתחום, "Zeitschrift für Kristallographie". התוצאה הישירה מהכנס הייתה ההוצאה לאור ב-1935 של "טבלאות בינלאומיות לקביעת מבני הגביש" (Internationale Tabellen zur Bestimmung von Kristallstrukturen) בעריכת קרל הרמן (Carl Hermann).
באוקטובר 1930 החל ברנל לחקור, על פי בקשתו של אסטבורי, את המבנה של חומצות האמינו, אבני הבניין של החלבונים. ברנל חקר את המבנה של האלאנין, הציסטאין, הלאוצין, החומצה הגלוטמית, החומצה האספרטית ופנילאלנין, כמו גם את מבנה הטבעת של הדיקטופיפרזין (פפטיד המורכב משתי מולקולות של גליצין). ב-1931 הוא פרסם את תוצאות מחקריו הראשוניים על גודל תא היחידה שלהם בביטאון "Zeitschrift für Kristallographie".
על פי בקשתו של ג'ון הלדיין החל ברנל לחקור את מבנה ויטמין D וסטרולים אחרים, וב-1932 פרסם את מחקריו בכתב-העת Nature. במקביל עבד גם על מחקר מבנה הורמון המין הנשי, האסטרוגן. ההצעה לבחון את מבנה ההורמון הגיעה לברנל מהרופא והזואולוג הדרום אפריקאי ממוצא יהודי, סולי צוקרמן. צוקרמן, שהגיע מחוסר אמצעים לאנגליה, הצליח בעזרת קסם אישי להיכנס לחוגים חברתיים חשובים כדוגמת אלו של קבוצת בלומסברי. צוקרמן וברנל הפכו לחברים טובים וצוקרמן דאג לשתף את ברנל בסופי שבוע בכפר או במסיבות בלונדון. הקשר בין השניים התהדק ועתיד היה להיות משמעותי ביותר במלחמת העולם השנייה. על אף שעבד על מבנה הסטרולים ועל מבנה האסטרוגן במקביל, לא ראה ברנל את הקשר בין המבנה של שניהם.
באפריל 1933 פרסם ברנל יחד עם רלף פאולר (Ralph Howard Fowler), פיזיקאי שהיה חתנו של רתרפורד, את אחד המחקרים הראשונים על המבנה האטומי של המים. השניים היו הראשונים לשער את המרחק הנכון של הקשר O-H (חמצן-מימן). מחקר זה הוצג בכנס שנערך במכון המלכותי, שאותו עזר ברנל לארגן. מחקר נוסף שפורסם באותו כנס ועסק בגבישים נוזליים אורגניים היה פרי עבודה משותפת בין ברנל לדורותי קרופוט בת העשרים ושתיים. קרופוט הייתה דוקטורנטית שעברה מאוניברסיטת אוקספורד לקיימברידג' באוקטובר 1932, במיוחד על מנת לעבוד עם ברנל. קרופוט לא הייתה האישה היחידה בצוות של ברנל. להפך, נראה כי ברנל העדיף לעבוד עם נשים. עוזרות המחקר הנוספות שלו היו הלן מגאו שהתמקדה במחקר חומרים אנאורגניים, ונורה ווסטר (Nora Wooster), שהייתה קומוניסטית נלהבת כמוהו.
כאמור, בשנת 1934 מונה ברנל לעוזר מנהל המחקר בקריסטלוגרפיה במעבדת קוונדיש. מתקופה זו ידועה במיוחד עבודתו עם דורותי קרופוט. באמצעות קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן גילו השניים כי לאנזים כדוגמת הפפסין יש מבנה תלת ממדי כדורי מוגדר (אם כי הם לא פענחו את המבנה). בקיץ 1934 חזרה קרופוט לאוניברסיטת אוקספורד, על מנת ללמד בקולג' סאמרוויל, שבאותה עת נמנה עם מוסדות הלימוד המעטים שהיו פתוחים לנשים. הקשר שלה עם ברנל נמשך באמצעות חליפת מכתבים, כשהיא נעזרת בו במחקריה על סטרולים ועל האינסולין. הקשר המקצועי הפך לקשר רומנטי. הקשר האישי נותק במרץ 1937 משפגשה קרופוט בתומס הודג'קין ונישאה לו, אבל הקשר המקצועי נמשך שנים רבות אחר כך. קרופוט הודג'קין פענחה אחר כך את מבנה הפניצילין, את מבנה ויטמין B12 וגולת הכותרת של מחקריה היה פענוח מבנה האינסולין, שעליו עבדה 30 שנה. היא זכתה בפרס נובל לכימיה בשנת 1964, וטענה תמיד כי ברנל היה צריך לחלוק אתה את הפרס. לאחר גילוי מבנה ויטמין B12 כתב הקריסטלוגרף פאול פטר אוואלד לברנל "חושבני שגם אם לא היית עושה דבר אחר עבור המדע מלבד להכשיר אישה זו, היה שמך ידוע לעד".
את מקומה של קרופוט מילאו איזידור פנקוכן (Isidore Fankuchen) ומקס פרוץ. פנקוכן, פיזיקאי אמריקני יהודי (אם כי היה אתאיסט ושמאלן מוצהר), הגיע למעבדה של ברנל בסוף 1935, ועל פי הצעתו של ברנל חקר את המבנה של נגיף מוזאיקת הטבק. פרוץ, ביוכימאי אוסטרי יהודי מומר, הגיע למעבדה של ברנל בסוף 1936. בעקבות מפגש עם קרוב משפחה שהיה ביוכימאי, החל פרוץ לחקור את מבנה ההמוגלובין בקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן, מחקר שעתיד היה להימשך בהפסקות שבע עשרה שנים. פריצת הדרך של פרוץ הגיעה כשהחליט להחליף חלק מהאטומים באטום כבד (כספית), רעיון שהעלה ברנל שנים רבות לפני כן במחקריה של קרופוט על האינסולין. פרוץ זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 1962 וכתב לברנל כי היו אלו ביקוריו של ברנל במעבדה בקיימברידג' והשיחות עמו שהשרו בו התלהבות מחודשת והחלטיות להמשיך במחקר.
קולג' בירקבק באוניברסיטת לונדון (1937–1939).
במרץ 1937, בגיל הצעיר והבלתי מקובל של 35, נבחר ברנל לחברה המלכותית. בסוף אותה שנה התקבל כפרופסור הממונה על הקתדרה לפיזיקה בקולג' בירקבק באוניברסיטת לונדון (Birkbeck College, University of London). מתקופה זו ועד פרוץ מלחמת העולם השנייה ידועה בעיקר עבודתו בתחום הסוציולוגיה של המדע. ספרו "התפקיד החברתי של המדע" (The Social Function of Science), שיצא לאור ב-1939, התקבל בהתלהבות על ידי חבריו המדענים וקיבל ביקורות טובות ב"ניו יורק טיימס" ובעיתון "The Spectator" ששיבח את הספר במילים "שום ספר אחר בעל היקף וחזון כזה לא יופיע בשנים הקרובות". לינוס פאולינג, שלימד אז במכון הטכנולוגי של קליפורניה, השתמש בספר כנושא לסמינרים שהעביר.
ברנל נמנה עם הראשונים לפקפק במבנה המשוער של חלבונים המכונה השערת סייקלול (Cyclol hypothesis), אותה הציעה המתמטיקאית דורותי רינץ' (Dorothy Wrinch) בשנת 1936, השערה שקיבלה חיזוק מהכימאי וחתן פרס נובל לכימיה, אירווינג לאנגמיור. ב-1939 הפריכו ויליאם לורנס בראג וברנל את ההשערה במאמר שפרסמו בכתב העת "Nature".
פעילותו החברתית והפוליטית.