Вёл исследовательскую и педагогическую работу в Киотском и Осакском университетах, а также в научных и учебных центрах США.
В 1935 году выдвинул гипотезу о существовании нового типа элементарных частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона. К концу 40-х гг. эта гипотеза была подтверждена, и в 1949 году за предсказание существования мезонов и теоретические исследования природы ядерных сил Юкава была присуждена Нобелевская премия по физике.
Первый японец, получивший Нобелевскую премию.