Domare Angela Finnerty sade att kvinnan inte skulle ha fört barnet till England förrän en familjedomstol i Japan hade löst en tvist som hon hade med sin främmande man.
Domarens beslut har avslöjats i ett skriftligt utslag.
Det följer på en förhandling i High Courts familjeavdelning i London.
Ingen som var inblandad identifierades.
Fadern hade bett domare Finnerty att beordra sin son att återvända till Japan i enlighet med internationell civil lagstiftning om bortförande av barn.
Domare Finnerty sa att mannen och kvinnan - som hade arbetat vid olika universitet i Japan - splittrades 2013 efter att ha gift sig för nio år sedan.
De hade kommit överens om att dela med sig av sin son efter medlingen i Japan.
Kvinnan hade då blivit erbjuden en post i Cambridge och sade att hon ville ta barnet med sig. Mannen invände.
Hon hade flugit till Storbritannien med pojken innan en domstol i Tokyo hade beslutat om tvisten.
"Jag är nöjd med att (pojken) har behållits i Förenade kungariket olagligt i strid med faderns vårdnadsrätt", sade domare Finnerty.
En akademiker vid Cambridge University har beordrats att återlämna sin sjuårige son till sin far i Japan, en familjedomstol har beslutat.