Tukaj je nekaj njegovih ključnih dosežkov:
* Odkritje devterija: Leta 1931 je Urey odkril devterij, težki izotop vodika. To odkritje mu je leta 1934 prineslo Nobelovo nagrado za kemijo . Spremenil je revolucijo v našem razumevanju atomske strukture in pripeljal do razvoja novih metod za preučevanje kemijskih reakcij.
* Raziskave o izvoru sončnega sistema: Urey je imel ključno vlogo pri razvoju kondenzacijske teorije o nastanku sončnega sistema. Predlagal je, da je sončni sistem nastal iz oblaka plina in prahu, ki se je postopoma zgostil v planete in druga nebesna telesa. Ta teorija je še danes splošno sprejeta.
* Pionir kemijske evolucije: Urey je bil pionir na področju kemijske evolucije, ki preučuje izvor življenja na Zemlji. Predlagal je, da bi življenje lahko izviralo iz preprostih organskih molekul, ki so nastale v zgodnji Zemljini atmosferi z abiotskimi procesi.
* Prispevki k projektu Manhattan: Med drugo svetovno vojno je Urey igral pomembno vlogo pri projektu Manhattan, ki je razvil atomsko bombo. Vodil je ekipo, odgovorno za ločevanje izotopov urana, kar je ključni korak pri proizvodnji bombe.
Na splošno je bil Harold C. Urey zelo vpliven znanstvenik, katerega delo je močno vplivalo na več področij. Njegova odkritja in teorije so spremenile naše razumevanje vesolja in izvora življenja.