Seit 1900 galt aber sein Hauptinteresse der Seismologie, weil auf der Balkanhalbinsel Erdbeben häufig sind. Das Observatorium hatte nach einem Beben 1880 einen Seismografen erhalten, der aber recht unvollkommen war. Nach einem starken Beben im Jahre 1901 gelang die Anschaffung leistungsfähigerer Instrumente und eines astatischen Pendels von Emil Wiechert. 1910 entdeckte Mohorovičić an Seismogrammen des Bebens von Pokupsko nahe Zagreb vom 8. Oktober 1909, dass einige P- und S-Bebenwellen später eintrafen als erwartet. Er schloss daraus, dass sie an einer Grenze in etwa 54 km Tiefe gebeugt wurden. Spätere Untersuchungen bestätigten diese Grenzfläche als ein weltweites Phänomen: In einer Tiefe von 30–50 km beginnt der Erdmantel mit einer Temperatur um die 600 °C.