W Niemczech miał kontakt z wybitnymi chemikami, wytyczającymi wówczas kierunki rozwoju „nowej chemii fizycznej” (Johannes Wislicenus, Jacobus van ’t Hoff, Wilhelm Ostwald).

Po powrocie do Wielkiej Brytanii był: 1897-1903 – asystentem w University College London (UCL), 1904–1913 – profesorem w University of Liverpool, 1913–1937 (do emerytury) – profesorem chemii nieorganicznej i chemii fizycznej w UCL.

W latach 1928–1937 pełnił funkcję dziekana wydziału. W okresie poprzedzającym II wojnę światową był też zaangażowany w udzielanie pomocy naukowcom emigrującym z Niemiec i Austrii – uciekającym przed antysemityzmem III Rzeszy, m.in. autorów teorematu Jahna-Tellera.

Główne kierunki badań i publikacje Głównym obiektem badań Donnana był proces przenikania jonów i cząsteczek rozpuszczalnika przez membrany półprzepuszczalne rozdzielające roztwory elektrolitów i nieelektrolitów, prowadzący do ustalania się stanu równowagi („równowaga Donnana”), którą charakteryzuje określony spadek potencjału elektrycznego na przegrodzie („potencjał Donnana”). Za szczególnie cenne są uważane wyniki badań układów koloidalnych, które ułatwiły zrozumienie zjawisk zachodzących w komórkach biologicznych.