Η επιστημονική σταδιοδρομία του Arrhenius περιελάμβανε τρεις ξεχωριστές ειδικότητες στους ευρείς τομείς της φυσικής και της χημείας: φυσική χημεία, κοσμική φυσική και χημεία της ανοσολογίας. Κάθε φάση της καριέρας του αντιστοιχεί σε διαφορετικό θεσμικό περιβάλλον. Τα χρόνια του (1884–90) ως διδακτορικός και μεταδιδακτορικός φοιτητής που πρωτοστάτησε στη νέα φυσική χημεία πέρασαν στο Ινστιτούτο Φυσικής της Ακαδημίας Επιστημών στη Στοκχόλμη και σε ξένα πανεπιστήμια. το έργο του στην κοσμική φυσική (1895-1900) πραγματοποιήθηκε στο Stockholms Högskola (σήμερα Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης). και οι σπουδές του στην ανοσοχημεία (1901–07) πραγματοποιήθηκαν στο Κρατικό Ινστιτούτο Serum στην Κοπεγχάγη και στο Ινστιτούτο Νόμπελ Φυσικής Χημείας (ιδρύθηκε το 1905) στη Στοκχόλμη.
Η κύρια συνεισφορά του Arrhenius στη φυσική χημεία ήταν η θεωρία του (1887) ότι οι ηλεκτρολύτες, ορισμένες ουσίες που διαλύονται στο νερό για να δώσουν ένα διάλυμα που οδηγεί τον ηλεκτρισμό, διαχωρίζονται σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια ή ιόντα, ακόμη και όταν δεν ρέει ρεύμα μέσω του διαλύματος. Αυτός ο ριζικά νέος τρόπος προσέγγισης της μελέτης των ηλεκτρολυτών αντιμετωπίσθηκε  αρχικά με αντίρρηση, αλλά σταδιακά κέρδισε τους οπαδούς μέσω των προσπαθειών των Arrhenius και Ostwald. Ο ίδιος απλός αλλά λαμπρός τρόπος σκέψης που ενέπνευσε την υπόθεση διαχωρισμού οδήγησε τον Arrhenius το 1889 να εκφράσει την εξάρτηση από τη θερμοκρασία των σταθερών ρυθμού των χημικών αντιδράσεων μέσω αυτού που είναι τώρα γνωστό ως εξίσωση Arrhenius. Το έργο του Arrhenius στην ανοσοχημεία, ένας όρος που του χάρισε κυκλοφορία, μέσω του βιβλίου αυτού του τίτλου που δημοσιεύθηκε το 1907, ήταν μια προσπάθεια μελέτης αντιδράσεων τοξίνης-αντιτοξίνης, κυρίως αντιδράσεων διφθερίτιδας, χρησιμοποιώντας τις έννοιες και τις μεθόδους που αναπτύχθηκαν στη φυσική χημεία. Μαζί με τον Torvald Madsen, διευθυντή του Κρατικού Ινστιτούτου Serum στην Κοπεγχάγη, πραγματοποίησε εκτεταμένες πειραματικές μελέτες βακτηριακών τοξινών καθώς και φυτικών και ζωικών δηλητηρίων. Οι τεχνικές δυσκολίες, ωστόσο, ήταν πολύ μεγάλες για τον Arrhenius για να πραγματοποιήσει τον στόχο του να κάνει την ανοσολογία ακριβή επιστήμη. Σε αντίθεση, με τις επιστημονικές επιθέσεις του στη θεωρία που επικρατούσε στον τομέα των μελετών ανοσίας, ήταν η θεωρία της πλευρικής αλυσίδας που διατυπώθηκε από τον Γερμανό ιατρικό επιστήμονα Paul Ehrlich, που τράβηξε την προσοχή. Αυτό, όμως, ήταν μικρής διάρκειας και ο Arrhenius εγκατέλειψε σταδιακά το πεδίο.