Birkeland organiserade flera expeditioner till Norges regioner med hög latitud där han etablerade ett nätverk av observatorier under aurorala regioner för att samla in magnetfältdata. Resultaten från den norska polarexpeditionen som genomfördes från 1899 till 1900 innehöll den första bestämningen av det globala mönstret av elektriska strömmar i polarområdet från markmagnetfältmätningar. Upptäckten av röntgenstrålar inspirerade Birkeland att utveckla vakuumkammare för att studera magneternas påverkan på katodstrålar. Birkeland märkte att en elektronstråle riktad mot en magnetiserad terrella styrdes mot magnetpolerna och producerade ljusringar runt polerna och drog slutsatsen att aurora kunde produceras på liknande sätt. Han utvecklade en teori där energiska elektroner kastades ut från solfläckar på solytan, riktade mot jorden och styrdes till jordens polära områden av det geomagnetiska fältet där de producerade den synliga aurora. Detta är i huvudsak teorin om aurora idag.
Birkeland föreslog 1908 i sin bok The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 att polära elektriska strömmar, idag kallade auroral electrojets, var anslutna till ett system av strömmar som flödade längs geomagnetiska fältlinjer in i och bort från polarområdet. Sådana fältjusterade strömmar är idag kända som Birkeland strömmar till hans ära. Han gav ett diagram över fältjusterade strömmar i boken, och detta diagram reproducerades på baksidan av den norska 200 kronor 7: e serien sedel i nedre högra hörnet, och hans terrella-experiment visas på framsidan till vänster med ett porträtt av Birkeland till höger. Boken om expeditionen 1902-1903 innehåller kapitel om magnetiska stormar på jorden och deras förhållande till solen, solens ursprung, Halleys komet och Saturns ringar.
Birkelands vision om vad som nu kallas Birkelandströmmar blev källan till en kontrovers som fortsatte i över ett halvt sekel, eftersom deras existens inte kunde bekräftas enbart från markbaserade mätningar. Hans teori ifrågasattes och förlöjligades vid den tiden som en fransteori av vanliga forskare, mest notoriskt av den framstående brittiska geofysiker och matematiker Sydney Chapman som hävdade den vanliga uppfattningen att strömmar inte kunde korsa rymdens vakuum och därför måste strömmarna genereras av jorden. Birkelands teori om aurora fortsatte att avfärdas av vanliga astrofysiker efter hans död 1917. Det förkämpades särskilt av den svenska plasmaforskaren Hannes Alfv sackaros, men Alfv sackaros arbete ifrågasattes i sin tur också av Chapman.
bevis på Birkelands teori om aurora kom först 1967 efter att en sond skickades ut i rymden. De avgörande resultaten erhölls från US Navy satellite 1963-38C, lanserad 1963 och bär en magnetometer ovanför jonosfären. Magnetiska störningar observerades på nästan varje pass över jordens hög latitud. Dessa tolkades ursprungligen som hydromagnetiska vågor, men vid senare analys insåg man att de berodde på fältjusterade eller Birkelandströmmar.
omfattningen av Birkelands forskningsföretag var sådan att finansieringen blev ett överväldigande hinder. Han insåg att den tekniska uppfinningen kunde ge rikedom och utvecklade en elektromagnetisk kanon och bildade med vissa investerare ett skjutvapenföretag. Spolpistolen fungerade, förutom att de höga munstyckshastigheterna han förutspådde (600 m/s) inte producerades. Det mesta han kunde få från sin största maskin var 100 m/s, vilket motsvarade ett nedslående projektilområde på endast 1 km. Så han döpte om enheten till en flygtorpedo och arrangerade en demonstration med det uttryckliga syftet att sälja företaget. Vid demonstrationen kortsluts en av spolarna och producerade en sensationell induktiv båge komplett med ljud, flamma och rök. Detta var det första misslyckandet av någon av de bärraketer som Birkeland hade byggt. Det kunde lätt ha reparerats och en annan demonstration organiserades.
ödet ingrep emellertid i form av en ingenjör som heter Sam Eyde. Vid en middagsfest bara en vecka senare berättade Eyde för Birkeland att det fanns ett industriellt behov av den största blixtnedslag som kan föras ner till jorden för att göra konstgjord gödsel. Birkelands svar var: ”jag har det!”Det fanns inga fler försök att sälja skjutvapenföretaget, och han arbetade med Eyde bara tillräckligt länge för att bygga en plasmabåganordning för kvävefixeringsprocessen. Paret arbetade för att utveckla prototypugnen till en design som var ekonomiskt genomförbar för storskalig tillverkning. Det resulterande företaget, Norsk Hydro, berikade Norge enormt och Birkeland åtnjöt Sedan tillräcklig finansiering för forskning, Hans enda verkliga intresse.
Birkeland–Eyde-processen är relativt ineffektiv när det gäller energiförbrukning. På 1910-och 1920-talet ersattes det därför gradvis i Norge av en kombination av Haber-processen och Ostwald-processen.
år 1913 kan Birkeland ha varit den första som förutspådde att plasma var allestädes närvarande i rymden. Han skrev: ”Det verkar vara en naturlig följd av våra synpunkter att anta att hela rymden är fylld med elektroner och flygande elektriska joner av alla slag. Vi har antagit att varje stjärnsystem i evolutioner kastar bort elektriska kroppar i rymden. Det verkar därför inte orimligt att tro att större delen av de materiella massorna i universum finns, inte i solsystemen eller nebulosorna, utan i ’tomt’ utrymme.”
år 1916 var Birkeland förmodligen den första personen som framgångsrikt förutsåg att solvinden beter sig som alla laddade partiklar i ett elektriskt fält: ”Ur fysisk synvinkel är det mest troligt att solstrålar varken är uteslutande negativa eller positiva strålar, utan av båda slag”. Med andra ord består solvinden av både negativa elektroner och positiva joner.
den första kompletta kartan över den statistiska platsen för birkelandströmmar i jordens polära region utvecklades 1974 av A. J. Zmuda och J. C. Armstrong och förfinades 1976 av T. Iijima och T. A. Potemra
som forskare med stora intressen gick Birkeland med i kontrollkommissionen för NSFPS (= Norwegian Society For Psychic Research). De 299 medlemmarna i föreningen inkluderade år 1922 personer som premiärminister Gunnar Knudsen, liksom ett brett utbud av läkare, professorer och redare. Föreningen arrangerade cirklar som experimenterade med dansbord och automatisk skrivning, men väckte mer uppmärksamhet och arrangerade kontrollerade experiment med inbjudna utländska medier. År 1912 var det det påstådda mediet Etta Wriedt Från Detroit, känt för sin ”spirit trumpet”, som utsattes för bedrägeri. Fru Wriedts ” trumpet ”borde ha talat med bland annat Hypatias” anderöst”, men i Norge exponerades” trumpetblåsningarna ” som explosioner producerade av kalium och vatten. Professor Birkeland utropade vid det tillfället, ” Jag är förmodligen emot alla häxbränningar, men en liten weeny till ära för fru Wriedt skulle inte ha varit i vägen.”
