Durant la période de 1894 à 1911 à Karlsruhe, il développe le procédé Haber, un procédé de formation catalytique de l'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote dans des conditions de haute température et haute pression, que BASF adoptera en 1909. Il devient riche et influent. En 1914, il est l'un des signataires du Manifeste des 93 : ce document, publié en Allemagne dans La Revue Scientifique le 4 octobre 1914 en réaction au repli allemand lors de la bataille de la Marne, soutenait la politique guerrière du Reich et de son Kaiser. Il obtient la médaille Liebig en 1914.
Il a reçu le prix Nobel de chimie de 1918 « pour la synthèse de l'ammoniac à partir de ses éléments ». Le procédé Haber a été une étape importante dans la chimie industrielle, car il a séparé la production de produits azotés, comme les engrais, les explosifs et les matières premières chimiques, des ressources naturelles terrestres, en particulier du nitrate de sodium, dont le Chili était l'un des principaux (et presque unique) producteur. La disponibilité soudaine d'engrais azotés bon marché a permis d'éviter une catastrophe malthusienne.
Les prix Nobel des années de guerre (1914 à 1919) furent décernés en juin 1920. Les Français, les Britanniques et les Américains boycottèrent la cérémonie en raison des activités d'Haber pendant les hostilités.