Treballà amb Wilhelm Ostwald a Riga, amb Ludwig Boltzmann a Graz, amb Friedrich Kohlrausch a Würzburg i amb Jacobus H. van't Hoff a Amsterdam. Tornà a Suècia el 1891. Fou rector de la Universitat d’Estocolm, d’ençà del 1905, i director de l’institut de química física de la fundació Nobel. A partir del 1883 anà establint la teoria de la dissociació iònica dels electròlits en solució diluïda, que publicà el 1887 i per la qual rebé el premi Nobel de Química del 1903. La seva teoria, ja intuïda per Berthollet, dóna una explicació dels fenòmens de la conductivitat elèctrica de les solucions diluïdes d’electròlits i de les desviacions de les lleis de Raoult que aquestes solucions presenten. Treballà també en la determinació de la força dels àcids, i coincidí amb Ostwald, i en l’estudi dels fenòmens de tensió superficial i d’osmosi amb els quals coincidí amb Van't Hoff. Esperit inquiet, aplicà les seves teories a l’electricitat atmosfèrica i treballà en diferents camps. En astrofísica formulà, el 1900, una teoria segons la qual la direcció de la cua dels cometes és determinada per la pressió que hi exerceix la llum del sol. En bioquímica investigà els mecanismes de les toxines i les antitoxines. Interessat en les qüestions de cosmologia formulà la hipòtesi de la panspèrmia. S'oposà amb energia a la teoria de Clausius de la mort del món a causa del creixement continu de l’entropia. Entre els seus escrits més famosos cal esmentar: Manual de teoria electroquímica (1900), Manual de física còsmica (1903), Teories de la química (1906), Química immunològica (lliçons donades a la Universitat de Califòrnia, 1907), L’esdevenidor dels mons (1907).