A guerra ancora non terminata, in qualità di ufficiale del Genio, partì nuovamente per gli Stati Uniti dove riuscì a dedicarsi all'astronomia: si recò infatti prima a Chicago dove trattò il sistema di classificazione degli spettri, poi ad Washington e Pasadena. Nel 1918 si unì ad una spedizione di astronomi dell'Osservatorio di Mount Wilson e partì per Green River, Wyoming, allo scopo di osservare, a 1800 metri di altitudine, l'eclissi totale di sole dell'8 giugno.
Tornato in Italia nel 1921, successe al padre nella direzione dell'Osservatorio di Arcetri e nella cattedra di Astronomia dell'Istituto di studi superiori, che poi diventerà l'Università degli studi di Firenze nel 1924. In qualità di direttore dell'Osservatorio, Giorgio Abetti si adoperò per costruire la Torre solare, onde dotare l'istituto di uno strumento di avanguardia per la ricerca. Ad Abetti va ascritto il merito di avere intuito rapidamente che non si può fare ricerca senza costruire una scuola di allievi che possano con il loro ingegno allargare gli orizzonti degli studi. Si formarono alla scuola di Abetti astronomi di alto livello, molti dei quali diventeranno a loro volta direttori di vari osservatori astronomici (Napoli, Firenze, Catania, Torino, Trieste).
Il suo più importante contributo scientifico può essere considerato l'apprezzato articolo del 1929 sull´"Handbuch der Astrophysik" in cui fa il punto dai progressi della fisica solare. Questo lavoro è stato considerato per tanti anni una sorta di punto di partenza per la specializzazione di tanti giovani astronomi. Abetti è stato anche un grande divulgatore.