Der Hauptteil seiner Forschungen betraf die Enzymologie. Die organische Chemie und die Synthese organischer Verbindungen begann mit deren Analyse. Der Erste, der eine solche versuchte, war Antoine Laurent Lavoisier (1743 bis 1794). Verbrennungsapparate von Gay-Lussac, Thénard, Döbereiner, Berzelius bis hin zu Liebig markieren den Weg der Entwicklung der organischen Elementaranalyse. Die Bestimmung des Kohlenstoffs und Wasserstoffs erfolgt noch heute im wesentlichen nach Liebigs Methode. Die Bestimmung des Stickstoffs in organischen Verbindungen versuchte zuerst Gay-Lussac und Thénard. Liebig kam auf den Gedanken, die Stickstoffbestimmung vollständig von der des Kohlenstoffs und Wasserstoffs zu trennen und den freigesetzten Stickstoff über sein Volumen zu bestimmen. Dumas schuf 1831 eine sehr brauchbare, über viele Jahre benutzte, aber langwierige Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Verbindungen. Aber dennoch blieben Stickstoffbestimmungen für jeden eine Plage.
Die Umständlichkeiten bei der Stickstoffbestimmung durch Verbrennen ließ den Gedanken an die Möglichkeit einer Bestimmung auf nassem Wege aufkommen. Dumant und später Varrentrapp und Will begannen mit der Ausarbeitung entsprechender Methoden. Doch dann beschäftigte sich Kjeldahl mit der Bestimmung des Stickstoffs in Proteinen. Lange hatte er keinen großen Erfolg. Schließlich gelang unerwartet die Zersetzung in konzentrierter Schwefelsäure mit Hilfe geeigneter Katalysatoren. Eingehend untersuchte er diese Möglichkeit und entwickelte daraus die auch heute unter seinem Namen bekannte wichtige analytische Methode. Bleibt noch anzumerken, dass er auch die entsprechende Apparatur dazu entwickelte und konstruierte.
Kjeldahl wird in der Chemie unvergessen bleiben!