С 1921 года до конца своей жизни Френкель работал в Физико-техническом институте. Работая над молекулярной теорией конденсированного состояния, он ввел понятие дырки, и термин "дефекты по Френкелю" занял прочное место в физике твердого тела и физике жидкостей. В тридцатые годы его исследования дополнились работами по теории пластических деформаций. За свои научные достижения он был избран членом-корреспондентом АН СССР в 1929 году.

Результаты его более чем двадцатилетнего труда в области теории жидкого состояния были обобщены в монографии "Кинетическая теория жидкостей". В 1930-1931 годах Френкель показал возможность возбуждения кристалла светом при сохранении заряда, когда электрон остается связанным с образовавшейся дыркой в кристаллической решетке, что было названо им квази-частицей—экситоном. Следует также упомянуть работы Френкеля по теории металлов, ядерной физике (электрокапиллярная модель ядра), полупроводникам. Исключетельно продуктивной была работа Френкеля по написанию книг. Начиная с 1922 года, практически ежегодно им публиковалось по книге: он был автором первого курса теоретической физики в СССР. Многие студенты, не только у нас, но и за рубежом, учили физику по этим учебникам.