Birkeland számos expedíciót szervezett Norvégia nagy szélességű régióiba, ahol megfigyelőközpontok hálózatát hozta létre az aurorális régiók alatt, hogy összegyűjtse a mágneses tér adatait. Az 1899-től 1900-ig tartó Norvég sarki expedíció eredményei tartalmazták az elektromos áramok globális mintázatának első meghatározását a sarki régióban a földi mágneses mező mérései alapján. A röntgensugarak felfedezése inspirálta Birkelandet vákuumkamrák kifejlesztésére a mágnesek katódsugarakra gyakorolt hatásának tanulmányozására. Birkeland észrevette, hogy egy mágnesezett terrella felé irányított elektronnyaláb a mágneses pólusok felé irányul, és fénygyűrűket hoz létre a pólusok körül, és arra a következtetésre jutott, hogy az aurora hasonló módon hozható létre. Kifejlesztett egy elméletet, amelyben az energetikai elektronokat a napfelszínen lévő napfoltokból kilökték, a Föld felé irányították, és a Föld sarkvidékeire irányították a geomágneses mező, ahol a látható Aurorát hozták létre. Ez lényegében a mai aurora elmélete.
Birkeland 1908-ban a The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 című könyvében azt javasolta, hogy a sarki elektromos áramok, amelyeket ma aurorális elektrojeteknek neveznek, olyan áramrendszerhez kapcsolódnak, amely geomágneses mezővonalak mentén áramlik a sarki régióba és onnan távol. Az ilyen terephez igazított áramokat ma Birkeland-áramoknak nevezik tiszteletére. A könyvben a mezőhöz igazított áramok diagramját adta meg, és ezt a diagramot a norvég 200 koronás 7.sorozatú bankjegy hátoldalán a jobb alsó sarokban reprodukálták, terrella kísérlete pedig a bal oldalon, Birkeland portréjával a jobb oldalon látható. Az 1902-1903-as expedícióról szóló könyv fejezeteket tartalmaz a Föld mágneses viharairól és a Naphoz való viszonyukról, a nap eredetéről, a Halley-üstökösről és a Szaturnusz gyűrűiről.
Birkeland víziója az úgynevezett Birkeland-áramlatokról több mint fél évszázadon át tartó vita forrásává vált, mivel létezésüket csak földi mérésekkel nem lehetett megerősíteni. Elméletét akkoriban vitatták és nevetségessé tették a mainstream tudósok, a legismertebb brit geofizikus és matematikus, Sydney Chapman, aki azzal érvelt, hogy az áramlatok nem tudnak átjutni az űr vákuumán, ezért az áramokat a földnek kell létrehoznia. Birkeland aurora-elméletét 1917-ben bekövetkezett halála után a mainstream asztrofizikusok továbbra is elutasították. Különösen a svéd plazmatudós támogatta Hannes Alfv Enterprises, de Alfv Enterprises munkáját viszont Chapman is vitatta.
Birkeland aurora-elméletének igazolása csak 1967-ben történt, miután egy szondát küldtek az űrbe. A döntő eredményeket az amerikai haditengerészet 1963-38C műholdja kapta, amelyet 1963-ban indítottak el, és magnetométert hordoz az ionoszféra felett. Mágneses zavarokat figyeltek meg szinte minden hágón a Föld nagy szélességi területein. Ezeket eredetileg hidromágneses hullámokként értelmezték, de a későbbi elemzés során rájöttek, hogy a mezőhöz igazított vagy Birkeland-áramoknak köszönhetők.
Birkeland kutatási vállalkozásainak mértéke olyan volt, hogy a finanszírozás elsöprő akadálysá vált. Felismerve, hogy a technológiai találmány gazdagságot hozhat, kifejlesztett egy elektromágneses ágyút, és néhány befektetővel egy lőfegyvergyártó céget alapított. A tekercspuska működött, kivéve az általa megjósolt nagy pofasebességeket (600 m/s), amelyeket nem állítottak elő. A legnagyobb gépéből legfeljebb 100 m/s volt, ami csak 1 km-es kiábrándító lövedéktartománynak felel meg. Ezért átnevezte az eszközt légi torpedónak, és demonstrációt szervezett azzal a kifejezett céllal, hogy eladja a céget. A bemutatón az egyik tekercs rövidre záródott, és szenzációs induktív ívet hozott létre zajjal, lánggal és füsttel. Ez volt a Birkeland által épített hordozórakéták első kudarca. Könnyen meg lehetett volna javítani, és újabb demonstrációt szerveztek volna.
a sors azonban Sam Eyde nevű mérnök formájában beavatkozott. Csak egy héttel később egy vacsorán Eyde elmondta Birkelandnek, hogy ipari szükség van a legnagyobb villámlásra, amelyet a földre lehet hozni a műtrágya előállításához. Birkeland válasza az volt: “megvan!”Nem volt több kísérlet a lőfegyvergyártó cég eladására, és csak annyi ideig dolgozott az Eydével, hogy egy plazma ívkészüléket építsen a nitrogénkötési folyamathoz. A pár azon dolgozott, hogy a kemence prototípusát olyan kialakításúvá fejlessze, amely gazdaságilag életképes volt a nagyszabású gyártáshoz. Az így létrejött vállalat, A Norsk Hydro, rendkívül gazdagította Norvégiát, Birkeland pedig megfelelő finanszírozást élvezett a kutatáshoz, ez volt az egyetlen valódi érdeke.
a Birkeland–Eyde folyamat viszonylag hatástalan az energiafogyasztás szempontjából. Ezért az 1910-es és 1920-as években Norvégiában fokozatosan felváltotta a Haber-folyamat és az Ostwald-folyamat kombinációja.
1913-ban Birkeland volt az első, aki megjósolta, hogy a plazma mindenütt jelen van az űrben. Írta: “Álláspontunk természetes következményének tűnik azt feltételezni, hogy az egész tér tele van elektronokkal és mindenféle repülő elektromos ionnal. Feltételeztük, hogy az evolúció során minden csillagrendszer elektromos részecskéket dob az űrbe. Ezért nem tűnik ésszerűtlennek azt gondolni, hogy az univerzum anyagi tömegeinek nagyobb része nem a naprendszerekben vagy a csillagködökben található, hanem az üres térben.”
1916-ban Birkeland valószínűleg az első ember volt, aki sikeresen megjósolta, hogy a napszél úgy viselkedik, mint az összes töltött részecske egy elektromos mezőben: “Fizikai szempontból a legvalószínűbb, hogy a napsugarak nem kizárólag negatív vagy pozitív sugarak, hanem mindkét típusúak”. Más szavakkal, a napszél mind negatív elektronokból, mind pozitív ionokból áll.
az első teljes térképet a Birkeland-áramlatok statisztikai elhelyezkedéséről a föld sarkvidékén 1974-ben A. J. Zmuda és J. C. Armstrong dolgozta ki, majd 1976-ban T. Iijima és T. A. finomította. Potemra
széles érdeklődésű tudósként Birkeland csatlakozott az NSFPS ellenőrző bizottságához (=Norvég pszichés kutatási Társaság). A Társaság 299 tagja között 1922-re olyan emberek voltak, mint Gunnar Knudsen miniszterelnök, valamint orvosok, professzorok és hajótulajdonosok széles köre. A társulat köröket szervezett táncoló asztalokkal és automatikus írással kísérletezve, de nagyobb figyelmet kapott a meghívott külföldi médiumokkal végzett ellenőrzött kísérletek megszervezése. 1912-ben az állítólagos médium volt Etta Wriedt Detroitból, híres a “szellem trombitájáról”, akit csalásnak tettek ki. Wriedt asszony ” trombitájának “többek között Hypatia” szellemi hangjával “kellett volna beszélnie, de Norvégiában a” trombitafúvásokat ” kálium és víz okozta robbanásként mutatták ki. Birkeland professzor felkiáltott ebből az alkalomból: “állítólag minden boszorkányégetés ellen vagyok, de Wriedt asszony tiszteletére egy ici-pici nem lett volna útban.”
