С февраля по октябрь 1920 г. он занимал должность флаг-секретаря Оперативного отдела Штаба Морских сил Северного моря. Затем до 23 мая 1921 г. военмор Хлебников служил вахтенным начальником на вспомогательном крейсере «III Интернационал» (так некоторое время назывался ледорез «Федор Литке», капитаном которого Хлебников станет в 1936 г.), а в мае-июне был вахтенным начальником на посыльном судне «Ярославна». Следующая его должность – младший помощник начальника Оперативной части штаба Морских сил Северного моря. С 23 сентября 1921 г. по 27 мая 1922 г. Хлебников числился плутонговым командиром на эсминце «Капитан Юрасовский», после чего был отправлен в распоряжение Строевого отдела штаба для получения нового назначения. Но, как не имеющего законченного военно-морского образования (а возможно, и как участника Белого движения), Ю. К. Хлебникова из рядов Рабоче-Крестьянского Красного Флота уволили.
Бывший гардемарин в 1923 г. окончил штурманский класс Архангельского морского техникума, став третьим, а затем и вторым помощником на ледоколе «Степан Макаров» (бывший «Князь Пожарский»). Когда «Макарова» отправили на Чёрное море, Хлебников некоторое время работал на Северной судостроительной верфи в Ленинграде, а в 1928 г. уехал в Архангельск и устроился на пароход «Субботник». Оттуда его перевели вторым штурманом на ледокольный пароход «Г. Седов». Летом судно работало в Арктике, зимой – на зверобойном промысле в Белом море.
В 1929 г. «Г. Седов» под командованием знаменитого капитана В. И. Воронина отправился к Земле Франца-Иосифа. В этот рейс Хлебников шел уже в качестве старпома. На борту парохода находилась экспедиция, которую возглавлял О. Ю. Шмидт. Из Архангельска судно вышло 21 июля и через восемь суток пришло в бухту Тихая на острове Гукера, где была построена самая северная советская полярная станция того времени. Тем же летом «Г. Седов» установил рекорд свободного плавания судна в Арктике, достигнув 82º 14´ с. ш.
В следующем году Хлебников участвовал в рейсе «Г. Седова» на Землю Франца-Иосифа и на Северную Землю, где на острове Домашнем была высажена экспедиция Г. А. Ушакова. На пути к Северной Земле удалось подтвердить предположение В. Ю. Визе о существовании в северной части Карского моря неизвестной земли – открыть остров Визе. На карту были нанесены острова Воронина, Исаченко и архипелаг Седова у Северной Земли. Научная группа выполнила большой объем гидрологических и гидрографических работ.
Ю. К. Хлебников отличился в знаменитом походе парохода «А. Сибиряков», который в 1932 г. преодолел Северный морской путь за одну навигацию. В 1933 г. Хлебников, награжденный орденом Трудового Красного знамени, стал капитаном этого судна. В следующем году «Сибиряков» доставил партию И. Д. Папанина на мыс Челюскин, а в 1935 г. занимался снабжением полярных станций.
М. С. Астрова (Хромцова) оставила воспоминания о молодом капитане, относящиеся к этому периоду: «Юрий Константинович Хлебников был среднего роста, худощавый, стройный, по-военному подтянутый. Темноволосый, с живыми темно-карими глазами на тонком “интеллигентном” лице. К своим обязанностям относился очень серьезно, и капитан ему полностью доверял. С Ворониным Хлебников провел в плаваниях пять лет (1928–32 гг.)».
Модель ледореза «Ф. Литке» в экспозиции Российского государственного музея Арктики и Антарктики (Санкт-Петербург)
С 1936 по 1942 г. Хлебников командовал ледорезом «Ф. Литке», на котором когда-то началась его морская служба в Красном флоте. В июле – сентябре 1936 г. ледорез, пароход «Анадырь» и танкеры «Майкоп» и «Локк-Батан» обеспечивали ЭОН-3 (Экспедиция особого назначения) – переход на Дальний Восток Северным морским путем эсминцев «Сталин» и «Войков». Оценкой действий Ю. К. Хлебникова стало награждение орденом Ленина.
Один из ледоколов типа «Северный ветер», полученных от США по ленд-лизу
Следующая навигация по разным причинам оказалась одной из самых сложных в тот период освоения Арктики. Многие суда, в том числе и ледоколы, остались зимовать во льдах. Не избежал этой участи и «Ф. Литке», вставший на зимовку вместе с пятью судами каравана около острова Большевик. В 1938 г. ледорез безуспешно пытался пробиться к дрейфовавшему во льдах пароходу «Г. Седов». Во время «Зимней» (Советско-финской) войны «Ф. Литке» входил в состав Северного флота в качестве сторожевого корабля. Он нес дозорную службу на подходах к Кольскому заливу и в Белом море. Под наименованием СКР-18 ледорез участвовал в боевых действиях на Севере в 1941–1945 гг., в основном занимаясь проводкой судов и доставкой грузов. С началом войны, как и другие полярные капитаны, Хлебников был зачислен в состав военно-морского флота и получил звание капитан-лейтенанта.