A kémikus Robert Bunsen társaságában megalapozta a színképelemzés elméletét. A színképelemzés (spektrumanalízis) a felhevített anyagok kibocsátotta fény felbontása útján következtet a kémiai összetételre. Kirchhoff a módszert a Nap összetételének a meghatározására is alkalmazta.
Kirchhoff 1845-ben tette közzé a Kirchhoff-törvényeket, ezek lehetővé teszik az áram, a feszültség és az ellenállások számítását elektromos áramkörökben. Kiterjesztette Georg Simon Ohm német fizikus elméletét, az áram folyását leíró egyenleteket általánosította háromdimenziós vezető esetére.
Kirchoff I.törvénye:
Az egy csomópontba befolyó és onnan elfolyó áramok algebrai összege mindig nulla.
Kirchoff II. törvénye:
Zárt áramkörben az üresjárási feszültségek összege egyenlő az ellenállásokon fellépő feszültségesések összegével.