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그의 초기 관찰은 지질학 발전에 크게 기여했다. 1660년 그는 인체해부학을 공부하기 위해 암스테르담으로 갔으며 그곳에 있는 동안 스텐센 관(管)으로도 불리는 이하선관(耳下腺管)을 발견했고, 1665년에는 피렌체로 가서 대공작 페르디난도 2세의 의사로 임명되었다. 이탈리아를 널리 여행했으며, 1669년에는 지질학적 관찰 결과를 발표한 〈자연의 작용으로 고체 속에 밀폐된 고형체에 관한 니콜라우스 스테노의 논문 서론 De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus〉을 출판했다.

지질학 문헌의 이정표가 된 이 저서에서 그는 결정학의 기초를 세웠으며, 석영 결정들의 외형은 크게 다르지만 대응하는 면 사이의 면각(面角)은 모두 같다고 주장했다. 또한 화석은 고대생물의 유해이며 많은 암석은 퇴적작용으로 형성되었다는 혁명적인 생각을 제시했다(→ 지구연대학).

그는 지각이 지질학적 사건들의 연대학적 역사를 포함하고 있으며, 그 역사는 지층이나 화석을 자세하게 연구함으로써 해석될 수 있다는 것을 최초로 인식했다. 산맥이 나무처럼 성장한다는 생각을 거부하고 지각의 변동으로 형성된다는 생각을 제시했다. 종교적인 편협과 교조로 스테노는 6,000년이라는 기간에 모든 지질학적 역사를 압축하도록 강요받았다.

1667년 가톨릭교도가 되면서 종교를 위해 과학을 포기했다. 1675년 성직자가 되었으며 1677년에는 주교가 되었고, 독일 북부와 스칸디나비아의 사도 교황대리로 임명되었다.