Birkeland organisierte mehrere Expeditionen in Norwegens Regionen mit hohen Breitengraden, wo er ein Netzwerk von Observatorien unter den Polarlichtregionen aufbaute, um Magnetfelddaten zu sammeln. Die Ergebnisse der norwegischen Polarexpedition von 1899 bis 1900 enthielten die erste Bestimmung des globalen Musters elektrischer Ströme in der Polarregion aus Bodenmagnetfeldmessungen. Die Entdeckung von Röntgenstrahlen inspirierte Birkeland, Vakuumkammern zu entwickeln, um den Einfluss von Magneten auf Kathodenstrahlen zu untersuchen. Birkeland bemerkte, dass ein Elektronenstrahl, der auf eine magnetisierte Terrella gerichtet war, zu den Magnetpolen geleitet wurde und Lichtringe um die Pole herum erzeugte, und kam zu dem Schluss, dass die Aurora auf ähnliche Weise erzeugt werden könnte. Er entwickelte eine Theorie, in der energiereiche Elektronen aus Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche ausgestoßen, auf die Erde gerichtet und durch das Erdmagnetfeld in die Polarregionen der Erde geleitet wurden, wo sie die sichtbare Aurora erzeugten. Dies ist im Wesentlichen die Theorie der Aurora heute.
Birkeland schlug 1908 in seinem Buch The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 vor, dass polare elektrische Ströme, heute als Auroral Electrojets bezeichnet, mit einem System von Strömen verbunden waren, die entlang geomagnetischer Feldlinien in die und von der Polarregion flossen. Solche feldausgerichteten Ströme sind heute zu seinen Ehren als Birkeland-Ströme bekannt. Dieses Diagramm wurde auf der Rückseite der norwegischen 200-Kronen-Banknote der 7. Serie in der unteren rechten Ecke wiedergegeben, und sein Terrella-Experiment ist auf der Vorderseite links mit einem Porträt von Birkeland rechts dargestellt. Das Buch über die Expedition 1902-1903 enthält Kapitel über magnetische Stürme auf der Erde und ihre Beziehung zur Sonne, den Ursprung der Sonne selbst, den Halleyschen Kometen und die Ringe des Saturn.
Birkelands Vision von den heutigen Birkelandströmungen wurde zur Quelle einer Kontroverse, die über ein halbes Jahrhundert andauerte, weil ihre Existenz allein durch Bodenmessungen nicht bestätigt werden konnte. Seine Theorie wurde zu der Zeit als Randtheorie von Mainstream-Wissenschaftlern bestritten und verspottet, am notorischsten von dem bedeutenden britischen Geophysiker und Mathematiker Sydney Chapman, der die Mainstream-Ansicht vertrat, dass Ströme das Vakuum des Weltraums nicht durchqueren könnten und daher die Ströme von der Erde erzeugt werden müssten. Birkelands Theorie der Aurora wurde nach seinem Tod 1917 von den Mainstream-Astrophysikern weiterhin abgelehnt. Es wurde vor allem von dem schwedischen Plasmaforscher Hannes Alfvén verfochten, aber Alfvéns Arbeit wurde wiederum auch von Chapman bestritten.
Der Beweis für Birkelands Theorie der Aurora kam erst 1967, nachdem eine Sonde ins All geschickt worden war. Die entscheidenden Ergebnisse wurden vom Satelliten 1963-38C der US Navy erhalten, der 1963 gestartet wurde und ein Magnetometer über der Ionosphäre trug. Magnetische Störungen wurden bei fast jedem Durchgang über die Regionen mit hohen Breitengraden der Erde beobachtet. Diese wurden ursprünglich als hydromagnetische Wellen interpretiert, aber bei einer späteren Analyse wurde festgestellt, dass sie auf feldausgerichtete oder Birkeland-Ströme zurückzuführen waren.
Das Ausmaß der Forschungsunternehmen von Birkeland war so groß, dass die Finanzierung zu einem überwältigenden Hindernis wurde. In der Erkenntnis, dass technologische Erfindungen Wohlstand bringen könnten, entwickelte er eine elektromagnetische Kanone und gründete mit einigen Investoren eine Feuerwaffenfirma. Die Spulenpistole funktionierte, außer dass die von ihm vorhergesagten hohen Mündungsgeschwindigkeiten (600 m / s) nicht erzeugt wurden. Das Meiste, was er von seiner größten Maschine bekommen konnte, war 100 m / s, was einer enttäuschenden Projektilreichweite von nur 1 km entsprach. Also benannte er das Gerät in Aerial Torpedo um und arrangierte eine Demonstration mit dem ausdrücklichen Ziel, das Unternehmen zu verkaufen. Bei der Demonstration schloss eine der Spulen kurz und erzeugte einen sensationellen induktiven Lichtbogen mit Rauschen, Flamme und Rauch. Dies war der erste Ausfall eines der Trägerraketen, die Birkeland gebaut hatte. Es hätte leicht repariert und eine weitere Demonstration organisiert werden können.
Das Schicksal griff jedoch in Form eines Ingenieurs namens Sam Eyde ein. Auf einer Dinnerparty nur eine Woche später erzählte Eyde Birkeland, dass es einen industriellen Bedarf für den größten Blitz gab, der auf die Erde gebracht werden kann, um Kunstdünger herzustellen. Birkelands Antwort war: „Ich habe es!“ Es gab keine Versuche mehr, die Waffenfirma zu verkaufen, und er arbeitete nur lange genug mit Eyde zusammen, um ein Plasmabogengerät für den Stickstofffixierungsprozess zu bauen. Das Paar arbeitete daran, den Prototypofen zu einem Design zu entwickeln, das für die Großserienfertigung wirtschaftlich rentabel war. Das daraus resultierende Unternehmen, Norsk Hydro, bereicherte Norwegen enorm, und Birkeland genoss dann eine angemessene Finanzierung für die Forschung, sein einziges wirkliches Interesse.
Das Birkeland-Eyde-Verfahren ist hinsichtlich des Energieverbrauchs relativ ineffizient. Daher wurde es in den 1910er und 1920er Jahren in Norwegen allmählich durch eine Kombination des Haber-Prozesses und des Ostwald-Prozesses ersetzt.
Im Jahr 1913 könnte Birkeland der erste gewesen sein, der vorhergesagt hat, dass Plasma im Weltraum allgegenwärtig ist. Er schrieb: „Es scheint eine natürliche Konsequenz unserer Sichtweise zu sein, anzunehmen, dass der gesamte Raum mit Elektronen und fliegenden elektrischen Ionen aller Art gefüllt ist. Wir haben angenommen, dass jedes Sternsystem in Entwicklungen elektrische Körperchen in den Weltraum wirft. Es erscheint daher nicht unvernünftig zu glauben, dass der größte Teil der materiellen Massen im Universum nicht in den Sonnensystemen oder Nebeln, sondern im ‚leeren‘ Raum zu finden ist.“
Im Jahr 1916 war Birkeland wahrscheinlich der erste, der erfolgreich vorhersagte, dass sich der Sonnenwind wie alle geladenen Teilchen in einem elektrischen Feld verhält: „Aus physikalischer Sicht ist es sehr wahrscheinlich, dass Sonnenstrahlen weder ausschließlich negative noch positive Strahlen sind, sondern von beiden Arten“. Mit anderen Worten, der Sonnenwind besteht sowohl aus negativen Elektronen als auch aus positiven Ionen.
Die erste vollständige Karte der statistischen Lage der Birkelandströmungen in der Polarregion der Erde wurde 1974 von A.J. Zmuda und J.C. Armstrong entwickelt und 1976 von T. Iijima und T.A. Potemra
Als Gelehrter mit breiten Interessen trat Birkeland der Kontrollkommission der NSFPS (= Norwegian Society For Psychic Research) bei. Zu den 299 Mitgliedern der Gesellschaft gehörten bis 1922 Menschen wie Premierminister Gunnar Knudsen sowie eine Vielzahl von Ärzten, Professoren und Reedern. Die Gesellschaft arrangierte Kreise, die mit Tanztischen und automatischem Schreiben experimentierten, erregte jedoch mehr Aufmerksamkeit durch kontrollierte Experimente mit eingeladenen ausländischen Medien. 1912 war es das angebliche Medium Etta Wriedt aus Detroit, berühmt für ihre „Geisttrompete“, die als Betrüger entlarvt wurde. Frau Wriedts „Trompete“ hätte mit der „Geisterstimme“ unter anderem von Hypatia sprechen sollen, aber in Norwegen wurden die „Trompetenschläge“ als Explosionen durch Kalium und Wasser entlarvt. Professor Birkeland rief bei dieser Gelegenheit aus, „Ich bin angeblich gegen alle Hexenverbrennungen, Aber ein winziger zu Ehren von Frau Wriedt wäre nicht im Weg gewesen.“
