Вскоре после начала преподавания в Харькове, в 1888 году, Багалея пригласили прочитать лекции по истории Северного Причерноморья для офицеров морского флота в городе Николаеве. Именно эти лекции и стали основой изданной годом позже монографии Д. И. Багалея «Колонизация Новороссийского края и первые шаги по пути культуры. Исторический этюд», впервые опубликованной в журнале «Киевская старина» в 1889 году и вышедшей в том же году отдельным изданием. Книга написана в традициях школы Антоновича, так же как и защищенная в 1887 году докторская диссертация ученого – «Очерки из истории колонизации и быта степной окраины Московского государства», – и представляет собой историко-географическое исследование. Приведя в начале книги подробную историко-географическую характеристику местности, Д. И. Багалей затем показал, «как в процессе освоения природы и борьбы с набегами кочевников происходило заселение края и развитие материальной и духовной культуры, рассматривая его как естественный рост уровня цивилизации». Исследователь творчества Багалея В. В. Кравченко полагал, что, в целом, Д. И. Багалей дал «объективную оценку государственной колонизации Новороссийского края»[1]. В 1920 году Багалей переиздал монографию на украинском языке.
Научное творчество Багалея было достаточно разноплановым. Кроме изучения истории Южной и Слободской Украины в XVII–XIX веков (Історія Слобідської України. Харків, 1918), он занимался также историей Харькова и Харьковского университета [Опыт истории Харьковского ун-та (по неизданным материалам). Харьков, 1893–1904. Т. 1–2; История г. Харькова за 250 лет его существования (с 1655-го по 1905-й год) (совм. с Д. П. Миллером). Харьков, 1905-12. Т. 1–2], руководил описанием исторического архива Харькова, собирал биографические материалы Г. С. Сковороды и В. Н. Каразина, издал их труды. Автор курсов русской историографии (Ч. 1–3,1907) и русской истории (Ч. 1–2, 1909–1911). Проводил раскопки и составил археологическую карту Харьковской губернии (опубликована в 1906).
Багалей не ограничивался только научной и образовательной деятельностью. С начала XX века он активно занялся политикой, по своим взглядам относясь к либерально-демократическому лагерю. В 1905 году он вступил в партию кадетов. А годом позже был избран членом Государственного совета от российских университетов и Академии наук (состоял в нем в 1906 ив 1911–1914). Наконец, в годы Первой мировой войны (в 1914–1917), Багалей был городским головой Харькова.
