Денисюк провёл свою молодость в Ленинграде и был во время Ленинградской блокады в городе. Его научная работа начиналась в 1954 после окончания Ленинградского института точной механики и оптики, когда он начал работу в Государственном оптическом институте им.С.И.Вавилова. В то время его вдохновляла научно-фантастическая повесть «Звёздные корабли» Ивана Ефремова, в которой в древнем диске из неизвестного материала появляется трёхмерное отображение головы космического пришельца, а также замечательные эксперименты нобелевского лауреата 1908 года Габриеля Липпмана. В 1958 году, то есть еще до появления лазеров с их когерентным излучением, он начал собственные эксперименты, в которых он использовал излучение лампы на парах ртути и впервые продемонстрировал трехмерную голограмму. С 1971 Ю.Н.Денисюк возглавлял голографическую лабораторию ГОИ, а позднее - и целый отдел, занимавшийся голографической тематикой. С 1988 года Денисюк руководил также и лабораторией голографии в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе.
Им было опубликовано около 240 научных работ, в том числе 35 изобретений.
Работы ученого посвящены физической оптике, в основном голографии. В 1962 Денисюк изобрёл способ записи изображения в трехмерных средах, позволяющий сохранить информацию о фазе, амплитуде и спектральном составе волны, пришедшей от объекта. Такие отражательные голограммы могут быть воспроизведены при освещении пучком обычного белого света. Это научное достижение было оценено в СССР как научное открытие и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 88 с приоритетом от 1 февраля 1962 г. в следующей формулировке: «Установлено ранее неизвестное явление возникновения пространственного неискаженного цветного изображения объекта при отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной материальной среды, в которой распределение плотности вещества соответствует распространению интенсивности поля стоячих, волн, образующихся вокруг объекта при рассеянии на нем излучения». Ю.Н.Денисюк получил Ленинскую премию в 1970 г., был избран членом-корреспондентом Академии Наук СССР и назначен руководителем вновь созданной лаборатории голографии в Государственном Оптическом институте.
Впоследствии ученый изучал принципы динамической голографии (Государственная премия СССР 1982), участвовал в построении систем голографической обработки радиолокационных сигналов (Государственная премия СССР 1989). Денисюк показал, что отображающими свойствами обладают также бегущие волны, рассмотрел вопросы голографии в схемах с встречными пучками. Важное место в его деятельности занимало изучение псевдоглубоких голограмм (специфических одномерных структур) и селектограмм (нового типа периодических трехмерных сред). Следует отметить, что под руководством Денисюка был разработан ряд новых светочувствительных материалов (реоксан, капиллярные пористые стекла и композиты), пригодных для записи трехмерных голограмм.