Провадив дослідження в галузях астрономії і астрофізики, висунув ідеалістичну теорію про вічність живої речовини та про походження життя на Землі від зародків, занесених з інших планет. Ця гіпотеза склала основу докторської дисертації Арреніуса, що він її 1884 року подав до захисту в Уппсальському університеті. У той час, проте, багато вчених сумнівалися в тому, що в розчині можуть співіснувати протилежно заряджені частки, і рада факультету оцінила його дисертацію за IV класом — надто низько, щоб він міг бути допущений до читання лекцій. Також є першовідкривачем парникового ефекту, що лежить в основі сучасних змін клімату.