חיים הררי פרסם את המאמר המדעי הראשון שלו בגיל 21. הוא קיבל את תואר הדוקטור בישראל בשנת 1965 והיה לאחד מראשוני הפוסט-דוקטורנטים במאיץ החלקיקים הלינארי החדש שנבנה אז באוניברסיטת סטנפורד (SLAC).
בשנת 1967, בהיותו בן 26, מונה הררי כפרופסור חבר במכון ויצמן. הוא הפרופסור הצעיר ביותר שהתמנה אי פעם במכון. הוא עלה לדרגת פרופסור מן המניין שלוש שנים מאוחר יותר, ומאז מכהן בקתדרה על שם אננברג לפיזיקה של אנרגיות גבוהות.
תרומותיו של הררי לפיזיקת החלקיקים הן כולן בתחום הפנומנולוגיה והתיאוריה של אינטראקציות בין חלקיקים. הוא תרם בעיקר לחמישה תת-תחומים, תוך שינוי מיקוד המחקר שלו בערך אחת לחמש שנים.
התחום הראשון (1962-1967) היה סימטריה של אינטראקציות בין חלקיקים, בתקופה שבה פותחו ונחקרו הסימטריות (3)SU(6) ,SU וסימטריות אחרות.
התחום השני (1968-1973) היה "דואליות" בפיזיקת האינטראקציות החזקות והקשר שלה למודלים של פיזור חלקיקים. הוא פרסם שני מאמרים בסיסיים על הדואליות. האחד ניתח לראשונה את תפקידם של תהליכים דיפרקטיביים בתיאורית הדואליות. במאמר השני הוצגו לראשונה "דיאגרמות הדואליות" ונוצר לראשונה קשר הדוק בין דואליות לבין השערת קיומם של קווארקים. העבודות הראשונות על דואליות, ובעיקר דיאגרמות הדואליות, הובילו בשנים מאוחרות יותר לרעיונות הראשונים של מי שפיתחו את תורת המיתרים. הררי נחשב אז כסמכות מובילה בנושאים פנומנולוגיים, דוגמת פוטו-יצירה (photoproduction), מודלים של רזוננסים ותהליכים הדרוניים והוא הוזמן לתת את אחת מהרצאות הסיכום המרכזיות בכנסים הבינלאומיים הראשיים בפיזיקה של חלקיקים בכל אחת מהשנים 1967, 1968, 1969 ו- 1971, וכן את הרצאות Loeb היוקרתיות באוניברסיטת הרווארד בשנת 1970.
כניסתו לתחום השלישי (1974-1979) באה לאחר הגילוי ב-SLAC של החלקיק פסי (“hidden charm”) בנובמבר 1974, כאשר הוא הפך לאחד המומחים המובילים בתחום הקווארקים והלפטונים החדשים. הוא היה הראשון שהציע מודל של שישה קוורקים ושישה לפטונים, נתן את השמות לשני הקווארקים החדשים שהוא הציע TOP, BOTTOM (השמות המקובלים כיום), וחזה את קיומם של שישה לפטונים. באוגוסט 1975, בכנס סטנפורד הבינלאומי בפיזיקה של חלקיקים הוא הציג, בפעם הראשונה אי פעם, את הסינתזה השלמה המקובלת כיום של "המודל הסטנדרטי" של שישה קוורקים ושישה לפטונים. המונח "(שלושה) דורות של קווארקים ולפטונים", המשמש בדרך כלל לתיאור סיווג הקווארקים והלפטונים במודל הסטנדרטי, נטבע על ידי הררי והוצג על ידו לראשונה בשנת 1976 ובשנת 1977. בין השנים 1975 ו 1988 הוזמן להרצות על נושאים אלה בעשרות כנסים והוזמן לתת סדרות הרצאות או הרצאות מיוחדות ויוקרתיות באוניברסיטאות ברקלי, סטנפורד, קרנגי-מלון, האוניברסיטה העברית, האקדמיה הישראלית למדעים, ומקומות רבים אחרים.
התחום הרביעי (1979-1985) החל בפיתוח מודל פשוט ע"י הררי, לפיו כל הקווארקים והלפטונים מורכבים משילובים שונים של שתי אבני יסוד בסיסיות של החומר. הוא קרא לחלקיקים משוערים אלה בשם "ראשונים". המודל בולט בפשטותו, ועונה על שאלות רבות לגבי תכונותיהם הבסיסיות של הקווארקים והלפטונים, אולם הוא אינו מתאר כלל את הדינמיקה של יצירת הקוורקים והלפטונים המורכבים, לכאורה, מחלקיקים זעירים יותר. גירסה מאוחרת יותר של המודל, שפורסמה יחד עם תלמידו נתן זייברג, אז סטודנט לתואר-שלישי, הציעה מודל דינאמי פשוט עבור אותו רעיון, וכן מאמרים נוספים המרחיבים על כך. עד כה, אין כל ראיות ישירות לכך שהקווארקים והלפטונים מורכבים ממשהו בסיסי יותר, ורוב העבודה התאורטית ממשיכה כיום לכיוונים שונים לחלוטין. אין גם ראיות נגד האפשרות של מורכבות בסיסית יותר ואין גם הסבר חלופי מוצלח לכמה מהתצפיות הניסיוניות הקיימות. "הראשונים", אם הם קיימים, עשויים למלא תפקיד חשוב בתהליכים של ראשית היקום, כולל היצירה העודפת של חומר לעומת אנטי-חומר, וחידת החומר האפל הקוסמולוגי.
התחום החמישי (1985-1989) הוא פיזיקה של חלקיקי הנויטרינו והשלכותיה על האסטרופיזיקה, הקוסמולוגיה ופיזיקת החלקיקים. מאז שמונה לנשיא מכון ויצמן, הררי לא עסק במחקר פעיל בפיזיקה, אם כי התבקש לעתים קרובות להרצות בפורומים מקצועיים או פופולאריים על נושאים בפיזיקה של נויטרינו ועל השערת קיומם של תת-חלקיקים נוספים.
הררי פרסם יותר מ-120 מאמרים על פיזיקת חלקיקים בכתבי עת בינלאומיים מובילים. הוא נבחר לאקדמיה הלאומית למדעים (1978) ולאקדמיה האמריקנית לאמנויות ולמדע (2010), וזכה בפרס ויצמן (1973), בפרס רוטשילד (1976) ובפרס ישראל (1989). בשנת 1999 מונה ל"פרופסור מכון" במכון ויצמן.