Sau chiến tranh, Urey trở thành giáo sư hóa học tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân, và sau đó trở thành giáo sư hóa học của Ryerson tại Đại học Chicago vào năm 1952. Ông đã không tiếp tục nghiên cứu trước chiến tranh của mình với đồng vị. Tuy nhiên, áp dụng kiến ​​thức thu được bằng hydro cho oxy, ông nhận ra rằng phân đoạn giữa cacbonat và nước cho oxy-18 và oxy-16 sẽ giảm 1,04 trong khoảng từ 0 đến 25 °C (32 và 77 °F). Tỷ lệ đồng vị sau đó có thể được sử dụng để xác định nhiệt độ trung bình, giả sử rằng thiết bị đo đủ nhạy. Nhóm nghiên cứu bao gồm đồng nghiệp Ralph Buchsbaum. Việc kiểm tra một belemnite 100 triệu năm tuổi sau đó chỉ ra nhiệt độ mùa hè và mùa đông mà nó đã sống qua trong một khoảng thời gian bốn năm. Trong nghiên cứu tiền cổ học tiền phong này, Urey đã được Hội Địa lý Hoa Kỳ trao tặng Huân chương Arthur L. Day và Huy chương Goldschmidt của Hiệp hội Địa hoá.

Thí nghiệm Miller-Urey, Urey tích cực vận động tranh cử chống lại dự luật tháng 5 năm 1946 vì ông sợ rằng nó sẽ dẫn tới việc kiểm soát quân sự về vũ khí hạt nhân, nhưng ủng hộ và chiến đấu cho dự luật McMahon đã thay thế nó, và cuối cùng tạo ra Ủy ban Năng lượng nguyên tử. Sự cam kết của Urey đối với lý tưởng của chính phủ thế giới từ trước khi chiến tranh, nhưng khả năng xảy ra chiến tranh hạt nhân đã làm cho nó chỉ khẩn cấp hơn trong đầu ông. Ông đã đi nhiều nơi để có các bài giảng về chiến tranh, và tham gia vào các cuộc tranh luận của Quốc hội về các vấn đề hạt nhân. Ông tranh luận công khai thay mặt cho Ethel và Julius Rosenberg, và thậm chí còn được gọi trước Ủy ban Hoạt động Người Mỹ không người Mỹ.