Był asystentem profesora Czesława Białobrzeskiego w pracowni przy ulicy Oczki 3. W roku 1936 przedstawił koncepcję badań eksperymentalnych nadsubtelnych struktur atomowych wykorzystujących rodzaj filtra Zeemana obecnie znany jako filtr Mrozowskiego. Praca ta zwróciła na niego uwagę międzynarodowej społeczności fizyków. Został zaproszony na pierwszy międzynarodowy kongres fotoluminescencji, który odbył się w Warszawie w 1936 roku. Od 1937 był adiunktem w Zakładzie Fizyki Teoretycznej UW. Do drugiej wojny światowej należał do najczęściej publikujących i cytowanych fizyków polskichWłodarczyk, Jarosław (2014). "Pierwsza Urania". Urania. 5: 8–10. https://www.researchgate.net/publication/332934813_Pierwsza_Urania.
W 1939 Mrozowski wyjechał do kampusu Uniwersytetu Berkeley w Kalifornii, aby spędzić rok z Ernestem Orlando Lawrence'em. Tam zastała go wojna. Po zakończeniu pobytu w Berkeley dołączył do Roberta Sandersona Mullikena na Uniwersytecie w Chicago, gdzie został zatrudniony jako profesor w George Willians College.
W 1944 korporacja Great Lakes Carbon Corp zwróciła się z prośbą o zorganizowanie i prowadzenie zespołu badawczego fizyki w dziale R&D.