1911 wurde Haber als Direktor des von der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft neu gegründeten Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie eingesetzt. Gemeinsam mit seiner Frau Clara Immerwahr, ebenfalls Chemikerin und eine der ersten promovierten Frauen überhaupt, zog er in eine Villa in unmittelbarer Nachbarschaft zum Institut. So konnte er sich nun völlig seiner Arbeit widmen. Im Oktober 1914 meldet Haber sich als Kriegsfreiwilliger und beschäftigte sich mit der Ammoniakproduktion bei der BASF. Ziel war es, mit einem gezielten Chlorgasangriff die erstarrten Kriegsfronten im Westen zu lösen. Dazu sollten mit Chlorgas gefüllte Flaschen an der Front eingegraben und abgeblasen werden. Trotz der Skepsis der Generäle bekam Haber bald die Erlaubnis für einen Großversuch. In Köln organisierte, plante und überwachte er das Abfüllen der Stahlflaschen und führte erste Testläufe durch. Am 22. April 1915 wurde der Gasangriff schließlich bei Ypern in Flandern ausgeführt. Knapp 6000 Gasflaschen mit rund 150 Tonnen Chlorgas kamen hier zum Einsatz und führten zu dem Tod mehrere Tausend französischer Soldaten. Eine weitere indirekte Folge war der Selbstmord seiner Frau Clara Immerwahr, die die Tätigkeiten ihres Mannes öffentlich kritisierte und sich kurze Zeit nach dem Angriff mit seiner Dienstwaffe erschoß. Auch der aus dieser Ehe hervorgegangene Sohn Hermann beging 1946 in den USA Selbtsmord. 1917 heiratete Fritz Haber Charlotte Nathan und zeugte mit ihr zwei Kinder. 10 Jahre später wurde die Ehe geschieden.

Bei Kriegsende arbeiteten 150 auserwählte Chemiker unter Haber. Talentierte Nachwuchschemiker holte Haber an sein Institut, darunter die späteren Nobelpreisträger James Francke, Otto Hahn und Gustav Hertz. Das Institutsgelände, sowie die Privatvilla Habers standen Tag und Nacht unter militärischem Schutz.

Nach dem Krieg wurde Fritz Haber als Kriegsverbrecher angeklagt. Gegen die Anklage eines Verstoßes gegen die Haager Landkriegsordnung entgegnete Haber, dass das französische Militär mit dem Gaskrieg begonnen hätte, dies ist jedoch nicht belegt. Des Weiteren versuchte er zu beweisen, dass der Einsatz von chemischen Kampfstoffen nicht nutzlos, sondern für deutsche Truppen kampfentscheidend war und dass der chemische Krieg nicht grausamer als sonst gewesen sei. Nur 3-4% der Gaserkrankungen hätten zum Tod geführt, sofern die Truppen sich ausreichend mit Gasmasken geschützt hätten. Der Ausschuss des Deutschen Reichstages ließ die Anklage fallen, da „ weder von der Deutschen noch von der Französischen Regierung noch, so weit bekannt, von einer anderen kriegführenden oder neutralen Macht […] gegen die Gaskrieg-Maßnahmen irgendwelche Proteste erhoben worden“ sind. Haber konnte seine Forschungen fortführen und erhielt 1919 (nachträglich für das Jahr 1918) den Nobelpreis für physikalische Chemie. Eine Weltreise 1924/25 mit einem durch gute deutsch- japanische Beziehungen triumphierenden Empfang in Japan führte zur Gründung von Habers „Japan-Institut“. Bis zu seinem Tod 1934 forschte Haber vermehrt auf seinem alten Fachgebiet der technischen Chemie. Vor allem widmete er sich der Problemforschung der Reaktionskinetik und –Mechanik und der Katalyse der Atomstruktur. Außerdem versuchte er sechs Jahre lang erfolglos Gold aus dem Meer zu gewinnen, um die deutschen Reparationszahlungen tilgen zu können. Im Nationalsozialismus war er als vom Judentum konvertierter Christ gegen die NSDAP und ihre Politik. Der antisemitische Druck der Nationalsozialisten stieg, sodass Haber 1933 alle seine Ämter niederlegen musste und nach England auswanderte. Bis zu seinem Tod führte er in Cambridge einige letzte Studien aus.