Durante la Grande Guerra, ritornò ad Ancona ed iniziò a lavorare come volontaria nell'ospedale militare fatto aprire dal marito all'interno del manicomio che progressivamente ampliò e trasformò in centro neurologico. Questa divenne per Giulia un'importante esperienza di crescita umana e professionale. Nel centro neurologico Giulia Bonarelli inizia ad occuparsi di numerosi pazienti utilizzando principalmente tecniche di elettroterapia e ginnastica medica apprese in Francia. Ottenne i migliori risultati con pazienti fisiopatici, senza un'evidente lesione nervosa. Risultati che condividerà al Convegno nazionale per l'assistenza agli invalidi di guerra, svoltosi a Milano nel 1918, al quale è l'unica donna a partecipare.