En 1978, Denis Flory débute sa carrière au CEA où il exerce la fonction d'ingénieur au service de la thermohydraulique des réacteurs à neutrons rapides. En 1984, il est nommé pour trois ans à l'Ambassade de France en URSS, en tant qu'Attaché pour la Science et la Technologie, en charge du dossier nucléaire. Après avoir occupé durant quatre années, le poste d'ingénieur en Grande Bretagne au Joint European Torus, il rejoint en France le Haut-commissaire à l'Energie atomique, auprès duquel il exerce pendant trois ans la fonction de Conseiller technique.
De 1994 à 2004, Denis Flory est nommé adjoint, puis chef du département de sécurité des matières radioactives à l'IRSN. Il est alors en charge de la sûreté des transports de matières radioactives, de l'application en France des contrôles internationaux nucléaires et de la Convention sur l'interdiction des armes chimiques. Il est également en charge de la protection et du contrôle des matières nucléaires, de la protection des installations nucléaires et des transports contre les actes de malveillance.
Il intègre à nouveau en 2005, l'Ambassade de France en Russie, pour y occuper le poste de Conseiller nucléaire avant son retour à l'IRSN où il vient d'être nommé directeur des affaires internationales.

La croissance des activités nucléaires dans le monde conduit l'IRSN à intensifier sa contribution au développement des savoir-faire de sécurité nucléaire dans plusieurs pays, notamment dans le cadre de la nouvelle Agence France Nucléaire International, et à accroître la coopération mondiale entre les organismes d'expertise des risques nucléaires et radiologiques, source d'harmonisation des bonnes pratiques.