Birkeland organiserede flere ekspeditioner til Norges højbreddegrader, hvor han etablerede et netværk af observatorier under de aurorale regioner for at indsamle magnetfeltdata. Resultaterne af den norske polarekspedition udført fra 1899 til 1900 indeholdt den første bestemmelse af det globale mønster af elektriske strømme i polarområdet fra jordmagnetfeltmålinger. Opdagelsen af røntgenstråler inspirerede Birkeland til at udvikle vakuumkamre til at studere magneternes indflydelse på katodestråler. Birkeland bemærkede, at en elektronstråle rettet mod en magnetiseret terrella blev styret mod de magnetiske poler og produceret ringe af lys omkring polerne og konkluderede, at aurora kunne produceres på en lignende måde. Han udviklede en teori, hvor energiske elektroner blev skubbet ud fra solpletter på soloverfladen, rettet mod Jorden og styret til Jordens polare områder af det geomagnetiske felt, hvor de producerede den synlige aurora. Dette er i det væsentlige teorien om aurora i dag.
Birkeland foreslog i 1908 i sin bog Den norske Aurora Polaris-ekspedition 1902-1903, at polære elektriske strømme, i dag benævnt aurorale elektrojetter, var forbundet med et system af strømme, der flød langs geomagnetiske feltlinjer ind og væk fra polarområdet. Sådanne feltjusterede strømme er i dag kendt som Birkeland-strømme til hans ære. Han leverede et diagram over feltjusterede strømme i bogen, og dette diagram blev gengivet på bagsiden af den norske 200 kroner 7.serie seddel i nederste højre hjørne, og hans terrella-eksperiment vises på forsiden til venstre med et portræt af Birkeland til højre. Bogen om ekspeditionen 1902-1903 indeholder kapitler om magnetiske storme på jorden og deres forhold til Solen, selve solens Oprindelse, Halleys komet og Saturns ringe.
Birkelands vision om, hvad der nu er kendt som Birkelandstrømme, blev kilden til en kontrovers, der fortsatte i over et halvt århundrede, fordi deres eksistens ikke kunne bekræftes fra jordbaserede målinger alene. Hans teori blev bestridt og latterliggjort på det tidspunkt som en frynseteori af almindelige forskere, mest notorisk af den fremtrædende britiske geofysiker og matematiker Sydney Chapman, der argumenterede for den almindelige opfattelse af, at strømme ikke kunne krydse rumets vakuum, og at strømmen derfor måtte genereres af jorden. Birkelands teori om aurora blev fortsat afvist af almindelige astrofysikere efter hans død i 1917. Det blev især forkæmpet af den svenske plasmavidenskabsmand Hannes Alfv Karrn, men Alfv Karrns arbejde blev til gengæld også bestridt af Chapman.
bevis for Birkelands teori om aurora kom først i 1967, efter at en sonde blev sendt ud i rummet. De afgørende resultater blev opnået fra US Navy satellit 1963-38C, lanceret i 1963 og bærer et magnetometer over ionosfæren. Magnetiske forstyrrelser blev observeret på næsten hver passage over jordens højbreddegrader. Disse blev oprindeligt fortolket som hydromagnetiske bølger, men ved senere analyse blev det indset, at de skyldtes feltjusterede eller Birkelandstrømme.
omfanget af Birkelands forskningsvirksomheder var sådan, at finansiering blev en overvældende hindring. Da han erkendte, at teknologisk opfindelse kunne bringe rigdom, udviklede han en elektromagnetisk kanon og dannede sammen med nogle investorer et skydevåbenfirma. Spolepistolen fungerede, bortset fra de høje mundhastigheder, han forudsagde (600 m/s) blev ikke produceret. Det mest han kunne få fra sin største maskine var 100 m/s, svarende til et skuffende projektilområde på kun 1 km. Så han omdøbte enheden til en antenne torpedo og arrangerede en demonstration med det udtrykkelige formål at sælge virksomheden. Ved demonstrationen kortsluttede en af spolerne og producerede en sensationel induktiv bue komplet med støj, flamme og røg. Dette var den første fejl i nogen af de løfteraketter, som Birkeland havde bygget. Det kunne nemt have været repareret og en anden demonstration organiseret.
skæbnen greb imidlertid ind i form af en ingeniør ved navn Sam Eyde. På et middagsselskab kun en uge senere fortalte Eyde Birkeland, at der var et industrielt behov for det største lynnedslag, der kan bringes ned på jorden for at fremstille kunstgødning. Birkelands svar var: “jeg har det!”Der var ikke flere forsøg på at sælge skydevåbenfirmaet, og han arbejdede kun med Eyde længe nok til at bygge en plasmabue-enhed til kvælstoffikseringsprocessen. Parret arbejdede for at udvikle prototypeovnen til et design, der var økonomisk levedygtigt til fremstilling i stor skala. Det resulterende selskab, Norsk Hydro, berigede Norge enormt, og Birkeland nød derefter tilstrækkelig finansiering til forskning, hans eneste reelle interesse.
Birkeland–Eyde-processen er relativt ineffektiv med hensyn til energiforbrug. Derfor blev det i 1910 ‘erne og 1920’ erne gradvist erstattet i Norge af en kombination af Haber-processen og Ostvald-processen.
i 1913 kan Birkeland have været den første til at forudsige, at plasma var allestedsnærværende i rummet. Han skrev: “Det ser ud til at være en naturlig konsekvens af vores synspunkter at antage, at hele rummet er fyldt med elektroner og flyvende elektriske ioner af alle slags. Vi har antaget, at hvert stjernesystem i evolutioner smider elektriske legemer ud i rummet. Det synes derfor ikke urimeligt at tro, at størstedelen af de materielle masser i universet findes, ikke i solsystemerne eller nebulae, men i ‘tomt’ rum.”
i 1916 var Birkeland sandsynligvis den første person, der med succes forudsagde, at solvinden opfører sig som alle ladede partikler i et elektrisk felt: “Fra et fysisk synspunkt er det mest sandsynligt, at solstråler hverken udelukkende er negative eller positive stråler, men af begge slags”. Med andre ord består solvinden af både negative elektroner og positive ioner.
det første komplette Kort over den statistiske placering af Birkeland-strømme i Jordens polare region blev udviklet i 1974 af A. J. Smuda og J. C. Armstrong og raffineret i 1976 af T. Iijima og T. A. Potemra
som lærd med brede interesser sluttede Birkeland sig til kontrolkommissionen for NSFPS (= Norsk samfund for Psykisk Forskning). De 299 medlemmer af foreningen omfattede i 1922 folk som premierminister Gunnar Knudsen samt en bred vifte af læger, professorer og redere. Samfundet arrangerede cirkler, der eksperimenterede med danseborde og automatisk skrivning, men tiltrak mere opmærksomhed ved at arrangere kontrollerede eksperimenter med inviterede udenlandske medier. I 1912 var det det påståede medium Etta skrevet fra Detroit, berømt for sin “spirit trompet”, der blev udsat for svindel. Fru Vredts ” trompet “skulle have talt med blandt andet Hypatias” åndestemme”, men i Norge blev” Trompetblæserne ” udsat som Eksplosioner produceret af kalium og vand. Professor Birkeland udbrød ved den lejlighed, ” Jeg er angiveligt imod alle heksebrændinger, men en lillebitte til ære for fru vredt ville ikke have været i vejen.”
