Birkeland uspořádal několik expedic do norských oblastí s vysokou zeměpisnou šířkou, kde založil síť observatoří pod aurorálními oblastmi, aby shromažďoval data magnetického pole. Výsledky norské polární expedice provedené v letech 1899 až 1900 obsahovaly první stanovení globálního vzoru elektrických proudů v polární oblasti z měření zemního magnetického pole. Objev rentgenových paprsků inspiroval Birkelanda k vývoji vakuových komor ke studiu vlivu magnetů na katodové paprsky. Birkeland si všiml, že elektronový paprsek směřující k magnetizované Terrelle byl veden směrem k magnetickým pólům a kolem pólů vytvořil prstence světla a dospěl k závěru,že polární záře může být vyrobena podobným způsobem. Vyvinul teorii, ve které byly energetické elektrony vysunuty ze slunečních skvrn na slunečním povrchu, nasměrovány na Zemi, a vedeny do polárních oblastí Země geomagnetickým polem, kde produkovaly viditelnou polární záři. To je v podstatě teorie Aurory dnes.
Birkeland navrhl v roce 1908 ve své knize Norská expedice Aurora Polaris 1902-1903, že polární elektrické proudy, dnes označované jako aurorální elektrojety, byly připojeny k systému proudů, které proudily podél linií geomagnetického pole do polární oblasti a od ní. Takové polní proudy jsou dnes známé jako Birkelandovy proudy na jeho počest. V knize poskytl schéma proudů zarovnaných polem a tento diagram byl reprodukován na zadní straně Norské bankovky 7. série 200 korun v pravém dolním rohu a jeho experiment terrella je zobrazen na přední straně vlevo s portrétem Birkelanda vpravo. Kniha o expedici 1902-1903 obsahuje kapitoly o magnetických bouřích na Zemi a jejich vztahu ke Slunci, původu samotného slunce, Halleyově kometě a prstencích Saturnu.
Birkelandova vize toho, co je nyní známé jako Birkelandovy proudy, se stala zdrojem kontroverze, která trvala více než půl století, protože jejich existence nemohla být potvrzena pouze z pozemních měření. Jeho teorie byla v té době zpochybňována a zesměšňována jako okrajová teorie mainstreamovými vědci, nejvíce notoricky známý britský geofyzik a matematik Sydney Chapman, který argumentoval mainstreamovým názorem, že proudy nemohly překročit vakuum vesmíru, a proto proudy musely být generovány zemí. Birkelandova teorie Aurory byla po jeho smrti v roce 1917 nadále odmítána mainstreamovými astrofyziky. Prosadil ji zejména švédský plazmový vědec Hannes Alfvén, ale Alfvénovu práci zase zpochybnil i Chapman.
důkaz Birkelandovy teorie Aurory přišel až v roce 1967 poté, co byla sonda vyslána do vesmíru. Rozhodující výsledky byly získány ze satelitu amerického námořnictva 1963-38C, vypuštěného v roce 1963 a nesoucího magnetometr nad ionosférou. Magnetické poruchy byly pozorovány téměř na každém průchodu přes oblasti s vysokou zeměpisnou šířkou země. Ty byly původně interpretovány jako hydromagnetické vlny,ale při pozdější analýze bylo zjištěno, že byly způsobeny proudy zarovnanými polem nebo Birkelandem.
rozsah Birkelandových výzkumných podniků byl takový, že financování se stalo ohromující překážkou. Uznal, že technologický vynález může přinést bohatství, vyvinul elektromagnetické dělo a s některými investory založil zbrojní společnost. Cívková pistole fungovala, kromě vysokých úsťových rychlostí, které předpovídal (600 m / s), nebyly vyrobeny. Nejvíce, co mohl získat ze svého největšího stroje, bylo 100 m / s, což odpovídá neuspokojivému dosahu střely pouze 1 km. Takže přejmenoval zařízení na letecké torpédo a uspořádal demonstraci s výslovným cílem prodat společnost. Na demonstraci, jedna z cívek zkratovala a vytvořila senzační indukční oblouk kompletní s hlukem, plamen, a kouř. Jednalo se o první selhání některého z odpalovacích zařízení, které Birkeland postavil. Dalo se to snadno opravit a zorganizovat další demonstraci.
osud však zasáhl ve formě inženýra jménem Sam Eyde. Na večeři jen o týden později, Eyde řekl Birkelandovi, že existuje průmyslová potřeba největšího záblesku blesku, který lze přivést na zem, aby se vyrobilo umělé hnojivo. Birkelandova odpověď byla, “ mám to!“Nebyly žádné další pokusy prodat zbrojní společnost a on pracoval s Eyde jen dost dlouho na to, aby postavil plazmové obloukové zařízení pro proces fixace dusíku. Dvojice pracovala na vývoji prototypové pece do konstrukce, která byla ekonomicky životaschopná pro velkovýrobu. Výsledná společnost Norsk Hydro nesmírně obohatila Norsko a Birkeland se poté těšil dostatečnému financování výzkumu, jeho jediný skutečný zájem.
proces Birkeland-Eyde je relativně neefektivní z hlediska spotřeby energie. Proto byl v letech 1910 a 1920 v Norsku postupně nahrazen kombinací Haberova procesu a ostwaldova procesu.
v roce 1913 mohl Birkeland jako první předpovědět, že plazma je ve vesmíru všudypřítomná. Napsal: „Zdá se, že je přirozeným důsledkem našich názorů předpokládat, že celý prostor je naplněn elektrony a létajícími elektrickými ionty všeho druhu. Předpokládali jsme, že každý hvězdný systém v evoluci vyhodí elektrické krvinky do vesmíru. Nezdá se proto nepřiměřené si myslet, že větší část hmotných hmot ve vesmíru se nachází nikoli ve slunečních systémech nebo mlhovinách, ale v „prázdném“ prostoru.“
v roce 1916 byl Birkeland pravděpodobně první osobou, která úspěšně předpověděla, že sluneční vítr se chová stejně jako všechny nabité částice v elektrickém poli: „Z fyzického hlediska je nejpravděpodobnější, že sluneční paprsky nejsou výlučně negativní ani pozitivní, ale obou druhů“. Jinými slovy, sluneční vítr se skládá jak z negativních elektronů, tak z pozitivních iontů.
první kompletní mapa statistické polohy Birkelandových proudů v polární oblasti země byla vyvinuta v roce 1974 A. J. Zmudou a J. C. Armstrongem a rafinována v roce 1976 T. Iijimou a T. A. Potemra
jako učenec se širokými zájmy se Birkeland připojil k kontrolní komisi NSFPS (=Norská společnost pro psychický výzkum). Mezi 299 členy společnosti patřili do roku 1922 lidé jako premiér Gunnar Knudsen, stejně jako široká škála lékařů, profesorů a majitelů lodí. Společnost uspořádala kruhy experimentující s tanečními stoly a automatickým psaním, ale přitahovala více pozornosti uspořádáním kontrolovaných experimentů s pozvanými zahraničními médii. V roce 1912 to bylo údajné médium Etta Wriedt z Detroitu, známé svou „Spirit trumpet“, které bylo vystaveno jako podvod. „Trumpeta“ paní Wriedtové měla mluvit mimo jiné“ duchovním hlasem „Hypatie, ale v Norsku byly“ trumpetové rány “ vystaveny jako výbuchy způsobené draslíkem a vodou. Profesor Birkeland zvolal při této příležitosti, “ jsem údajně proti všem upálení čarodějnic.“, ale malinký weeny na počest paní Wriedtové by nebyl v cestě.“
