До 1911 г. Папалекси работал в качестве лаборанта и ассистента профессора Ф. Брауна в Физическом институте Страсбургского университета. Этот период был посвящен преимущественно исследованиям электрических колебаний и радиотелеграфии, методов измерений высокочастотных токов и параметров колебательных контуров, направленного излучения, пеленгации с помощью рамочной антенны, теории выпрямителя и др. Кроме того, он проводил вместе с Л.И. Мандельштамом эксперименты по инерции электронов в металле, опередившие на четыре года известные опыты Толмена и Стюарта. Он исследовал также газовый разряд и вел опыты по сопоставлению яркостей электрической искры и солнечного диска. В 1907 г. Папалекси работал в Кембридже в лаборатории Дж.Дж. Томсона, изучая время возбуждения флуоресценции.
Доведению до технических результатов коллективно возникавших физических идей в Страсбургском институте в области радиоизмерений Папалекси уделял много времени и сил. С этой целью он часто ездил в общество «Телефункен» в Берлине, где состоял консультантом Ф. Браун (а затем Л.И. Мандельштам). Оно предоставляло необходимые возможности и средства для проведения опытов. Стремление к завершенности, к получению на основании научных исследований выхода в радиотехнику просматривается на протяжении всей деятельности ученого.
В 1911 г. Н.Д. Папалекси подготовил диссертацию для получения права чтения лекций и занял должность приват-доцента в Страсбургском университете. В диссертации рассматривались явления в цепи переменного тока с нелинейным элементом, выпрямителем или электрическим вентилем. Это было одно из ранних исследований по нелинейным колебаниям, и в нем впервые применен метод припасовывания, заключающийся в замене реальной нелинейной характеристики устройства ломаной кривой с прямолинейными отрезками. В том же 1911 г. Папалекси принял участие в работе Второго Менделеевского съезда по общей и прикладной химии и физике в Санкт-Петербурге. Здесь он выступил с докладом о новых методах измерений длины волны, декрементов затухания и сил токов высокой частоты с демонстрацией динамометрического декрементометра и амперметра.
В первой половине 1914 г. Папалекси активно работал с опытами радиоприема на рамочную антенну Брауна, пеленгации и компарированию напряженности поля радиоволн. Но надвигавшаяся Первая мировая война вынудила его прервать исследования и ехать на родину. Он отправился в Петроград, где был приглашен консультантом по физическим вопросам и заведующим опытной лабораторией Русского общества беспроволочных телеграфов и телефонов (РОБТиТ).
Первой задачей стало срочное налаживание радиосвязи с Францией и Англией. Для ее решения требовалось усовершенствовать приемную аппаратуру с обеспечением возможности приема не только на слух, но и путем регистрации на фонограф или ленту. Это означало, что нужны были ламповые усилители и гетеродины, а ламп в России не было. Уже к концу 1914 г. появились первые русские усилительные и генераторные лампы. Всей работой по их исследованию и разработке руководил Папалекси. Они были названы «лампы Папалекси» и оказали огромное влияние на развитие отечественной радиотехники в Первую мировую войну. При изготовлении радиоламп Папалекси впервые предложил применять высокочастотный индукционный нагрев для прокаливания электродов в ходе откачки ламп.
