Birkeland organizó varias expediciones a las regiones de alta latitud de Noruega, donde estableció una red de observatorios bajo las regiones aurorales para recopilar datos del campo magnético. Los resultados de la Expedición Polar noruega realizada entre 1899 y 1900 contenían la primera determinación del patrón global de corrientes eléctricas en la región polar a partir de mediciones de campo magnético terrestre. El descubrimiento de los rayos X inspiró a Birkeland a desarrollar cámaras de vacío para estudiar la influencia de los imanes en los rayos catódicos. Birkeland notó que un haz de electrones dirigido hacia una terrella magnetizada fue guiado hacia los polos magnéticos y produjo anillos de luz alrededor de los polos y concluyó que la aurora podría producirse de una manera similar. Desarrolló una teoría en la que los electrones energéticos eran expulsados de las manchas solares en la superficie solar, dirigidos a la Tierra y guiados a las regiones polares de la Tierra por el campo geomagnético donde producían la aurora visible. Esta es esencialmente la teoría de la aurora hoy en día.
Birkeland propuso en 1908 en su libro The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 que las corrientes eléctricas polares, hoy conocidas como electroyectos aurorales, estaban conectadas a un sistema de corrientes que fluían a lo largo de líneas de campo geomagnético hacia y desde la región polar. Estas corrientes alineadas con el campo se conocen hoy en día como corrientes de Birkeland en su honor. Proporcionó un diagrama de corrientes alineadas con el campo en el libro, y este diagrama se reprodujo en el reverso del billete noruego de 200 coronas de la 7a serie en la esquina inferior derecha, y su experimento de terrella se muestra en el frente a la izquierda con un retrato de Birkeland a la derecha. El libro sobre la expedición de 1902-1903 contiene capítulos sobre las tormentas magnéticas en la Tierra y su relación con el Sol, el origen del Sol mismo, el cometa Halley y los anillos de Saturno.
La visión de Birkeland de lo que ahora se conoce como corrientes de Birkeland se convirtió en la fuente de una controversia que continuó durante más de medio siglo, porque su existencia no podía confirmarse solo a partir de mediciones terrestres. Su teoría fue discutida y ridiculizada en ese momento como una teoría marginal por los científicos principales, más notoriamente por el eminente geofísico y matemático británico Sydney Chapman, quien argumentó la opinión principal de que las corrientes no podían cruzar el vacío del espacio y, por lo tanto, las corrientes tenían que ser generadas por la Tierra. La teoría de la aurora de Birkeland continuó siendo desestimada por los astrofísicos convencionales después de su muerte en 1917. Fue defendido notablemente por el científico sueco de plasma Hannes Alfvén, pero el trabajo de Alfvén a su vez también fue disputado por Chapman.
La prueba de la teoría de la aurora de Birkeland solo llegó en 1967 después de que una sonda fuera enviada al espacio. Los resultados cruciales se obtuvieron del satélite 1963-38C de la Marina de los Estados Unidos, lanzado en 1963 y que llevaba un magnetómetro por encima de la ionosfera. Se observaron perturbaciones magnéticas en casi todos los pasos sobre las regiones de alta latitud de la Tierra. Estas fueron interpretadas originalmente como ondas hidromagnéticas, pero en análisis posteriores se descubrió que se debían a corrientes alineadas con el campo o de Birkeland.
La escala de las empresas de investigación de Birkeland fue tal que la financiación se convirtió en un obstáculo abrumador. Reconociendo que la invención tecnológica podía traer riqueza, desarrolló un cañón electromagnético y, con algunos inversores, formó una compañía de armas de fuego. La pistola de bobina funcionó, excepto que no se produjeron las altas velocidades de boca de cañón que predijo (600 m/s). Lo máximo que pudo obtener de su máquina más grande fue de 100 m / s, lo que corresponde a un alcance de proyectil decepcionante de solo 1 km. Así que cambió el nombre del dispositivo a torpedo aéreo y organizó una demostración con el objetivo expreso de vender la compañía. En la demostración, una de las bobinas se cortocircuitó y produjo un sensacional arco inductivo completo con ruido, llamas y humo. Este fue el primer fallo de cualquiera de los lanzadores que Birkeland había construido. Podría haberse reparado fácilmente y organizado otra manifestación.
Sin embargo, el destino intervino en la forma de un ingeniero llamado Sam Eyde. En una cena, solo una semana después, Eyde le dijo a Birkeland que había una necesidad industrial de los relámpagos más grandes que se pueden bajar a la Tierra para hacer fertilizante artificial. La respuesta de Birkeland fue: «¡Lo tengo!»No hubo más intentos de vender la compañía de armas de fuego, y trabajó con Eyde solo el tiempo suficiente para construir un dispositivo de arco de plasma para el proceso de fijación de nitrógeno. La pareja trabajó para desarrollar el prototipo de horno en un diseño que fuera económicamente viable para la fabricación a gran escala. La empresa resultante, Norsk Hydro, Noruega enormemente enriquecida y Birkeland, disfrutaron entonces de una financiación adecuada para la investigación, su único interés real.
El proceso de Birkeland–Eyde es relativamente ineficiente en términos de consumo de energía. Por lo tanto, en las décadas de 1910 y 1920, fue reemplazado gradualmente en Noruega por una combinación del proceso Haber y el proceso Ostwald.
En 1913, Birkeland pudo haber sido el primero en predecir que el plasma era ubicuo en el espacio. Escribió: «Parece ser una consecuencia natural de nuestros puntos de vista asumir que todo el espacio está lleno de electrones e iones eléctricos voladores de todo tipo. Hemos asumido que cada sistema estelar en evolución lanza partículas eléctricas al espacio. Por lo tanto, no parece irrazonable pensar que la mayor parte de las masas materiales en el universo se encuentra, no en los sistemas solares o nebulosas, sino en el espacio «vacío».»
En 1916, Birkeland fue probablemente la primera persona en predecir con éxito que el viento solar se comporta como todas las partículas cargadas en un campo eléctrico: «Desde un punto de vista físico, es muy probable que los rayos solares no sean exclusivamente rayos negativos ni positivos, sino de ambos tipos». En otras palabras, el Viento Solar consiste en electrones negativos e iones positivos.
El primer mapa completo de la ubicación estadística de las corrientes de Birkeland en la región polar de la Tierra fue desarrollado en 1974 por A. J. Zmuda y J.C. Armstrong y perfeccionado en 1976 por T. Iijima y T. A. Potemra
Como erudito con amplios intereses, Birkeland se unió a la comisión de control de NSFPS (= Sociedad Noruega de Investigación Psíquica). Los 299 miembros de la sociedad incluían, en 1922, personas como el primer ministro Gunnar Knudsen, así como una amplia gama de médicos, profesores y armadores. La sociedad organizó círculos que experimentaban con mesas de baile y escritura automática, pero atrajo más atención organizando experimentos controlados con médiums extranjeros invitados. En 1912 fue la supuesta médium Etta Wriedt de Detroit, famosa por su» trompeta espiritual», quien fue expuesta como un fraude. La «trompeta» de la señora Wriedt debería haber estado hablando con la «voz espiritual» de, entre otros, Hipatia, pero en Noruega los «golpes de trompeta» fueron expuestos como explosiones producidas por el potasio y el agua. El profesor Birkeland exclamó en esa ocasión: «Supuestamente estoy en contra de todas las quemas de brujas, pero una pequeñita en honor de la señora Wriedt no habría sido un obstáculo.»
