Prowadził badania w dziedzinie elektrochemii i katalizy. Od 1904 rozpoczął prace nad równowagą reakcji powstawania amoniaku z atomów azotu i wodoru w wysokich temperaturach i wysokim ciśnieniu. Badania związane były z prognozowanym na lata 30. XX wieku głodem w Europie (gdzie w ciągu dwóch stuleci liczba mieszkańców zwiększyła się czterokrotnie). W badaniach wykorzystał odkrycie z lat 40. XIX wieku Justusa von Liebiga, który zauważył, że wzrost roślin pobudzają związki azotu. Na początku wieku XX producenci rolni sprowadzali z Ameryki Płd. guano i importowali saletrę z Chile. Obydwie substancje były stosunkowo drogie i było ich zbyt mało, aby zaspokoić potrzeby rolników europejskich. W latach 1905–1910 opracował metodę syntezy amoniaku, nazwaną później metodą Habera i Boscha. W 1908 Haber otrzymał po raz pierwszy ciekły amoniak metodą półprzemysłową. Proces, opatentowany przez Habera, polegał na wpompowywaniu do reaktorów azotu i wodoru, które pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia w obecności katalizatorów łączyły się tworząc amoniak. W latach 1908–1913 Haber pracował – wspólnie ze współtwórcą BASF, Carlem Boschem (laureatem Nagrody Nobla w roku 1931 za rozwój wysokociśnieniowych procesów technologicznych) – nad wdrożeniem technologii w skali przemysłowej.